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[摘 要]分析了起重变频电机的工作特点，针对这此特点介绍了起重变频三相异步电动机的设计思路。
[关键词]变频调速；恒转矩；恒功率；频率；绕组；电磁负荷
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0276-02
0 引言
变频电机作为调速系统中的驱动设备，广泛用于轻工、纺织、冶金、化工、起重、机床等行业需要调速的传动装置，尤其是调速范围宽，控制精度高，定位准的场合，市场容量大。特别是在起重行业的起升机构上应用越来越广，原来的起升机构通常采用涡流制动绕线转子电动机及其调速系统，其调速范围窄，能耗大，起动、制动以及速度切换时冲击大、重物定位困难、控制线路复杂、体积大、故障率高。随着变频技术的发展及在电机上的广泛应用，使起重变频电机完全克服了原来起重电机的不足。
1 起重变频电机的特点
由于起重机负载变化大，起升高度范围很大，其起升机构通常在额定转速以下采用恒转矩控制方式，适用于重载运行；而在额定转速以上采用恒功率控制方式，适用于轻载和空钩运行，根据塔机起升机构的特殊工况要求，起重用变频电动机应具备以下特点：
（1）电动机具有较宽的调速范围，且在高频恒功率弱磁调节时运行稳定。
（2）电动机低频起动转矩足够大，而起动电流小。
（3）电动机适应频繁起动，制动和正反转。
（4）电动机运行可靠性高。
（5）电动机应能提供转速反馈信号。
2 起重用变频电机的设计特点
变频调速异步电动机由变频器供电，在供电电源中包含大量的高次谐波和速度变化范围大等特点，给变频调速电动机的分析和设计带来许多问题。下面我想从以下几个方面谈谈起重变频电机的设计：
2.1 电机容量的设计
在这里我主要针对位能性负载电动机容量的计算，这主要适用于起重机起升机构，提升机等载荷作垂直移动的设备，它的惯量较小，所需功率为：
2.2 电压、频率和极数的选择
由于电流型变频器供电的电动机要求较小的漏电抗，故应选取较低的额定电压，，以减小电机的漏电抗。因为漏电抗与绕组的匝数平方成正比，当电机的额定功率一定时，电压越低则电流越大，但过大的电流将导致电动机损耗增加以及系统成本的升高，故在选择额定电压时综合系统的耐压和电流容量，通常V1=380V。
标准电动机在恒压和恒频下运行，极数和同步转速有确定的关系，而变频电动机的极数、额定频率和同步转速是可调的，符合式（6） n1=60 f1/P
若n1一定时，则f1/P确定，但可选择不的f1和P（通常为2、3、4、5）组合，若取n1=1000r/min，則P=3、f1=50Hz和P=2、f1=33Hz都能满足其同步转速，不同的p、 f1组合虽然都能得到相同的n1值，但对调速性能的影响却是不同的，例：调速范围为50-3000 r/min，50-1000 r/min为恒转矩调速，1000-3000 r/min为恒功率调速。对于p=3、fn=50Hz最低运行频率fmin=5Hz，最高运行频率fmax=150Hz，而对p=2、fn=33Hz则最低运行频率fmin=1.6Hz，最高运行频率fmax=100Hz。由于变频调速系统在低频区域通常采用补偿电压的方法使E1/f1和φ值恒定，以提升低频转矩提高低速性能。由恒转矩变为恒功率运行后，电动机在基频以上运行，随着频率的增加，电动机的铁耗迅速增加，频率越高铁耗越大，过载系数成反比降低（KT∝1/ f1），逆变器的开关损耗也将增大，由此可知在恒功率区域较宽的场合下，宜选用基频较低值，由以上分析变频调速电动机的额定频率的选取情况比较复杂，必须与供电和控制系统的设计联系在一起，从调速系统的整体优化出发，以求得整个系统的最佳技术经济指标。
2.3 电磁负荷的选择
变频电动机的电磁负荷是在常规电机设计的范围内选取，为了控制由于谐波磁通引起的磁路饱和，特别是当运行在低速时采用不同压频比，更有可能造成磁路的饱和，另外在频率比较高时，降低Bδ 可降低齿、轭的铁耗。所以一般还是设计得较低的磁通密度，这也有利于电磁噪声的降低。适当控制电磁负荷，保证变频电动机应有的效率和功率因数，同时应选用导磁性能更好，损耗更低的冷轧硅钢片，有利于提高磁负荷能力，减小温升。
2.4 绕组的设计
由于变频电源中存在大量的电流高次谐波，这些谐波对电动机产生下列影响：
1）电动机铜耗（包括转子铝耗），杂散损耗及铁耗增加使用电动机的效率下降，绕组温升变高。
2）谐波附加转矩使电动机的正常转矩降低，脉动转矩使电动机低频时转速波动。
3）高次谐波使电动机的噪声和振动增加，
4）电压和频率的不断变化产生瞬时的高压和高频脉冲加在电机绕组上，极易产生电晕放电，损坏漆包线的绝缘。
为了尽量减少谐波影响，在绕组设计时采用如下措施：
1）定子绕组设计时采用多槽和短距绕组，提高基波绕组系数，降低高次谐波（尤其是5次、7次谐波）。尽可能减小定子绕组电阻，采用宽而浅的定子槽形，尽可能减小定子的集肤效应，并采用多根互相绝缘的导体并联。
2）为了减小低频运行转矩脉动幅值，设计转子绕组时适当增加转子绕组的电感L，减小转子绕组电阻R2以增大转子绕组的时间常数.
3）采用耐电晕漆包线，以延长漆包线的使用寿命，耐电晕漆包线与普通的漆包线相比多了一层耐脉冲屏蔽层，这个屏蔽层可抵御在变频电机绕组出现的高频电压，瞬时尖脉冲，快速的脉冲上升时间等对电机的影响和普通漆包线相比大大提高了变频电机的绝缘寿命，耐电晕漆包线的具体绝缘结构如下： 2.5 转子槽形的设计
为了减小低频转矩脉动关键之处是减小谐波的影响，一般来说我们通常使用的变频器均属电压型变频器，输出的电压波形非正弦形，因此谐波电压的大小取决于变频器，而谐波电流的大小则由负载电机的漏抗来限制，漏抗大的电机谐波电流小，使得电机电流波形峰值减小，谐波损耗也小，因而宜采用漏抗较大的转子槽形来削弱谐波的影响，经过反复试验，转子一般我们采用的是闭口槽，以增大转子槽漏抗，抑制高次谐波电流，降低脉动转矩，同时，由于集肤效应的影响使高次谐波电流靠近气隙侧，如采用普通电机的转子槽形，因气隙侧槽形狭小必然会导致铜耗增加，采用转子槽形，可减小谐波的影响，提高电机效率，其次采用闭口槽可减小谐波的影响，可使谐波激振力降低
2.6 散热系统的设计
通用的标准笼型异步电动机的散热能力，是按额定转速下且冷却风扇是装在电动机轴上的（即自扇式）冷却风量考虑的，当调速运行时速度降低的情况下冷却风量将变小，散热能力变差.电动机的温升与冷却风量之间的关系如下式所示.
当电动机损耗不变时，温升与转速的0.4～0.5次方成反比，因此通用标准电动机实际应用时低速下必须限制负载转矩以抑制其温升。
变频器在基频（50Hz）一般为以上运行时，输出电压通常保持不變，由于U/f的值减小，输出转矩随频率的上升而减小，由于转速升高冷却风量增加，温升不会有问题；当频率在0～ 基频（50Hz）之间时如仍按恒转矩方式考虑，由于转速降低冷却风量变小，将出现不允许的温升且连续运行的转矩变小。
如果需要在额定速度以下连续运行实现恒转矩输出，必须改善低速下的散热能力或提高绝缘等级。
起重机中电动机的工作状态大多属于断续工作制，其负载电流的大小与负载有关，对于一个工作周期中工作时间较短的和起重量在大多数情况下不太大的工况电动机的温升并不很显著。在大多数情况下，起重机低速运行占整个运行时间的比例并不大在调速比不大于5：1的工况下，电动机可以不安装强迫冷却风机。对低速运行时间长且调速比较大的场合，必须增加冷却风机对电机进行冷却，否则电动机的容量必须放有一定余量。
2.7 反馈系统的选用
为了检测电动机转子频率和转子的位置，给调速系统提供转子转速信号，必须在电动机的非轴端加装一个光电编码器与转子同轴连接运行，编码器的脉冲数一定要选择合适，若编码器的脉冲数太少会造成检测到的转子的位置不准，给操作带来麻烦；若编码器的脉冲数过高时对控制电机的变频器内存模块的容量提出了更高的要求，这样会增加控制成本，经过反复的试验我们的编码器的脉冲数一般选用600、1000、1024这三个脉冲数。另外编码器的安装必须保证编码器与电机同轴并保持转速一致（具体方案可参考“电机与控制应用”2007，34（5）“变频电机与编码器安装接口的标准化设计”）。
3 使用效果
根据上述研究，我们设计并制造了YZP315M-4 132kw、基频33Hz的变频调速异步电动机.样机试验结果表明，设计的符合性较好.电动机的低频性能良好，低频、高频运行噪声、振动小。电机在低频1、2、3Hz运行时无转矩脉动，频率在1、2、3Hz下电流设定为1.5倍额定电流（400A）时电机堵转转矩大于1.5倍额定转矩（2000N.m）。电动机3000r/min定载运行时，其振动值为2.5mm/s，电动机配套的塔机于2003年4月在北京奥运会工地使用，电动机的速度调节范围为50-3000转/分，起升机构频繁起动，制动和正反转，其起动、制动、加速、减速全过程平稳，机械冲击少，整个使用过程没有出现任何故障。目前这种起重变频电机受到了广大用户的认可，在塔式起重机上已开始批量使用，成为了我厂的主导产品。
4 结语
本文针对起重电机和变频电机的性能和工况特点进行了简单的分析，通过分析把两电机的特点有机的柔和在了一起，提出了起重变频电动机的设计方案，并就这种电机的设计方案作了简单的阐述，从阐述中可以发现此种电机结构和性能都优于传统的起重电机，拓宽了变频电机的应用领域。
[关键词]变频调速；恒转矩；恒功率；频率；绕组；电磁负荷
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0276-02
0 引言
变频电机作为调速系统中的驱动设备，广泛用于轻工、纺织、冶金、化工、起重、机床等行业需要调速的传动装置，尤其是调速范围宽，控制精度高，定位准的场合，市场容量大。特别是在起重行业的起升机构上应用越来越广，原来的起升机构通常采用涡流制动绕线转子电动机及其调速系统，其调速范围窄，能耗大，起动、制动以及速度切换时冲击大、重物定位困难、控制线路复杂、体积大、故障率高。随着变频技术的发展及在电机上的广泛应用，使起重变频电机完全克服了原来起重电机的不足。
1 起重变频电机的特点
由于起重机负载变化大，起升高度范围很大，其起升机构通常在额定转速以下采用恒转矩控制方式，适用于重载运行；而在额定转速以上采用恒功率控制方式，适用于轻载和空钩运行，根据塔机起升机构的特殊工况要求，起重用变频电动机应具备以下特点：
（1）电动机具有较宽的调速范围，且在高频恒功率弱磁调节时运行稳定。
（2）电动机低频起动转矩足够大，而起动电流小。
（3）电动机适应频繁起动，制动和正反转。
（4）电动机运行可靠性高。
（5）电动机应能提供转速反馈信号。
2 起重用变频电机的设计特点
变频调速异步电动机由变频器供电，在供电电源中包含大量的高次谐波和速度变化范围大等特点，给变频调速电动机的分析和设计带来许多问题。下面我想从以下几个方面谈谈起重变频电机的设计：
2.1 电机容量的设计
在这里我主要针对位能性负载电动机容量的计算，这主要适用于起重机起升机构，提升机等载荷作垂直移动的设备，它的惯量较小，所需功率为：
2.2 电压、频率和极数的选择
由于电流型变频器供电的电动机要求较小的漏电抗，故应选取较低的额定电压，，以减小电机的漏电抗。因为漏电抗与绕组的匝数平方成正比，当电机的额定功率一定时，电压越低则电流越大，但过大的电流将导致电动机损耗增加以及系统成本的升高，故在选择额定电压时综合系统的耐压和电流容量，通常V1=380V。
标准电动机在恒压和恒频下运行，极数和同步转速有确定的关系，而变频电动机的极数、额定频率和同步转速是可调的，符合式（6） n1=60 f1/P
若n1一定时，则f1/P确定，但可选择不的f1和P（通常为2、3、4、5）组合，若取n1=1000r/min，則P=3、f1=50Hz和P=2、f1=33Hz都能满足其同步转速，不同的p、 f1组合虽然都能得到相同的n1值，但对调速性能的影响却是不同的，例：调速范围为50-3000 r/min，50-1000 r/min为恒转矩调速，1000-3000 r/min为恒功率调速。对于p=3、fn=50Hz最低运行频率fmin=5Hz，最高运行频率fmax=150Hz，而对p=2、fn=33Hz则最低运行频率fmin=1.6Hz，最高运行频率fmax=100Hz。由于变频调速系统在低频区域通常采用补偿电压的方法使E1/f1和φ值恒定，以提升低频转矩提高低速性能。由恒转矩变为恒功率运行后，电动机在基频以上运行，随着频率的增加，电动机的铁耗迅速增加，频率越高铁耗越大，过载系数成反比降低（KT∝1/ f1），逆变器的开关损耗也将增大，由此可知在恒功率区域较宽的场合下，宜选用基频较低值，由以上分析变频调速电动机的额定频率的选取情况比较复杂，必须与供电和控制系统的设计联系在一起，从调速系统的整体优化出发，以求得整个系统的最佳技术经济指标。
2.3 电磁负荷的选择
变频电动机的电磁负荷是在常规电机设计的范围内选取，为了控制由于谐波磁通引起的磁路饱和，特别是当运行在低速时采用不同压频比，更有可能造成磁路的饱和，另外在频率比较高时，降低Bδ 可降低齿、轭的铁耗。所以一般还是设计得较低的磁通密度，这也有利于电磁噪声的降低。适当控制电磁负荷，保证变频电动机应有的效率和功率因数，同时应选用导磁性能更好，损耗更低的冷轧硅钢片，有利于提高磁负荷能力，减小温升。
2.4 绕组的设计
由于变频电源中存在大量的电流高次谐波，这些谐波对电动机产生下列影响：
1）电动机铜耗（包括转子铝耗），杂散损耗及铁耗增加使用电动机的效率下降，绕组温升变高。
2）谐波附加转矩使电动机的正常转矩降低，脉动转矩使电动机低频时转速波动。
3）高次谐波使电动机的噪声和振动增加，
4）电压和频率的不断变化产生瞬时的高压和高频脉冲加在电机绕组上，极易产生电晕放电，损坏漆包线的绝缘。
为了尽量减少谐波影响，在绕组设计时采用如下措施：
1）定子绕组设计时采用多槽和短距绕组，提高基波绕组系数，降低高次谐波（尤其是5次、7次谐波）。尽可能减小定子绕组电阻，采用宽而浅的定子槽形，尽可能减小定子的集肤效应，并采用多根互相绝缘的导体并联。
2）为了减小低频运行转矩脉动幅值，设计转子绕组时适当增加转子绕组的电感L，减小转子绕组电阻R2以增大转子绕组的时间常数.
3）采用耐电晕漆包线，以延长漆包线的使用寿命，耐电晕漆包线与普通的漆包线相比多了一层耐脉冲屏蔽层，这个屏蔽层可抵御在变频电机绕组出现的高频电压，瞬时尖脉冲，快速的脉冲上升时间等对电机的影响和普通漆包线相比大大提高了变频电机的绝缘寿命，耐电晕漆包线的具体绝缘结构如下： 2.5 转子槽形的设计
为了减小低频转矩脉动关键之处是减小谐波的影响，一般来说我们通常使用的变频器均属电压型变频器，输出的电压波形非正弦形，因此谐波电压的大小取决于变频器，而谐波电流的大小则由负载电机的漏抗来限制，漏抗大的电机谐波电流小，使得电机电流波形峰值减小，谐波损耗也小，因而宜采用漏抗较大的转子槽形来削弱谐波的影响，经过反复试验，转子一般我们采用的是闭口槽，以增大转子槽漏抗，抑制高次谐波电流，降低脉动转矩，同时，由于集肤效应的影响使高次谐波电流靠近气隙侧，如采用普通电机的转子槽形，因气隙侧槽形狭小必然会导致铜耗增加，采用转子槽形，可减小谐波的影响，提高电机效率，其次采用闭口槽可减小谐波的影响，可使谐波激振力降低
2.6 散热系统的设计
通用的标准笼型异步电动机的散热能力，是按额定转速下且冷却风扇是装在电动机轴上的（即自扇式）冷却风量考虑的，当调速运行时速度降低的情况下冷却风量将变小，散热能力变差.电动机的温升与冷却风量之间的关系如下式所示.
当电动机损耗不变时，温升与转速的0.4～0.5次方成反比，因此通用标准电动机实际应用时低速下必须限制负载转矩以抑制其温升。
变频器在基频（50Hz）一般为以上运行时，输出电压通常保持不變，由于U/f的值减小，输出转矩随频率的上升而减小，由于转速升高冷却风量增加，温升不会有问题；当频率在0～ 基频（50Hz）之间时如仍按恒转矩方式考虑，由于转速降低冷却风量变小，将出现不允许的温升且连续运行的转矩变小。
如果需要在额定速度以下连续运行实现恒转矩输出，必须改善低速下的散热能力或提高绝缘等级。
起重机中电动机的工作状态大多属于断续工作制，其负载电流的大小与负载有关，对于一个工作周期中工作时间较短的和起重量在大多数情况下不太大的工况电动机的温升并不很显著。在大多数情况下，起重机低速运行占整个运行时间的比例并不大在调速比不大于5：1的工况下，电动机可以不安装强迫冷却风机。对低速运行时间长且调速比较大的场合，必须增加冷却风机对电机进行冷却，否则电动机的容量必须放有一定余量。
2.7 反馈系统的选用
为了检测电动机转子频率和转子的位置，给调速系统提供转子转速信号，必须在电动机的非轴端加装一个光电编码器与转子同轴连接运行，编码器的脉冲数一定要选择合适，若编码器的脉冲数太少会造成检测到的转子的位置不准，给操作带来麻烦；若编码器的脉冲数过高时对控制电机的变频器内存模块的容量提出了更高的要求，这样会增加控制成本，经过反复的试验我们的编码器的脉冲数一般选用600、1000、1024这三个脉冲数。另外编码器的安装必须保证编码器与电机同轴并保持转速一致（具体方案可参考“电机与控制应用”2007，34（5）“变频电机与编码器安装接口的标准化设计”）。
3 使用效果
根据上述研究，我们设计并制造了YZP315M-4 132kw、基频33Hz的变频调速异步电动机.样机试验结果表明，设计的符合性较好.电动机的低频性能良好，低频、高频运行噪声、振动小。电机在低频1、2、3Hz运行时无转矩脉动，频率在1、2、3Hz下电流设定为1.5倍额定电流（400A）时电机堵转转矩大于1.5倍额定转矩（2000N.m）。电动机3000r/min定载运行时，其振动值为2.5mm/s，电动机配套的塔机于2003年4月在北京奥运会工地使用，电动机的速度调节范围为50-3000转/分，起升机构频繁起动，制动和正反转，其起动、制动、加速、减速全过程平稳，机械冲击少，整个使用过程没有出现任何故障。目前这种起重变频电机受到了广大用户的认可，在塔式起重机上已开始批量使用，成为了我厂的主导产品。
4 结语
本文针对起重电机和变频电机的性能和工况特点进行了简单的分析，通过分析把两电机的特点有机的柔和在了一起，提出了起重变频电动机的设计方案，并就这种电机的设计方案作了简单的阐述，从阐述中可以发现此种电机结构和性能都优于传统的起重电机，拓宽了变频电机的应用领域。