我一直認為除非對體積、效率要求十分苛刻，異步電機仍是傳動系統的首選（當然微特電機、輸出信號的控制電機是另外一回事）。這次重點就異步電機，聊一聊變頻器供電時需要重點考慮的若干問題。

負載特性和系統要求

1、確定轉矩轉速范圍，每個轉速對應的額定轉矩、峰值轉矩和運行時間。

2、一般不考慮起動性能（軌道交通有的要求冗余，變頻器故障時電機能運行）。

3、選擇與轉速變化弱相關的冷卻方式。若轉速范圍較寬，不推薦IC411自扇風冷。

4、轉速范圍較寬，最高轉速時的功率不易保證時，降低額定電壓（或提高額定頻率）。

5、綜合考慮軸承在低速/高速時的受力、潤滑、振動、溫度和壽命。

附加損耗及其影響

因變頻器電源提供的是由矩形脈沖等效成的正弦波，故除有基波電壓和電流產生的損耗外，還會產生附加損耗。其大小取決于變頻器類型、參數及電機和濾波電路的設計。

附加損耗主要體現在電機導體（主要為轉子導條）的集膚效應和漏磁通路徑的渦流上，故對電機設計者來說，減小附加損耗的措施有：

A、轉子繞組設計時減小集膚效應；

B、定子繞組設計時減小集膚效應；

C、轉子槽開口；

D、避免轉子鐵心片間短路；

E、采用更薄的定轉子沖片；

其它方面的措施有：

A、根據負載情況優化電機磁通（嚴格來說這是降低基波損耗的）；

B、優化變頻器的脈沖波形；

C、提高載波頻率（具體可參考舊文《變頻器載波頻率對電機效率的影響》）；

D、配置三電平變頻器；

E、使用濾波器（應考慮其引起的電壓降）。

附加損耗會使電機溫升上升，與工頻電源相比，有的可達30K以上。應從改善冷卻方式、提高耐熱等級、加大電機容量等多種途徑考慮其影響。

噪聲、振動和扭轉振蕩

電機轉速升高，會使自冷風扇的通風噪聲增加。相關數據表明，轉速升高20%，噪聲增加3dB；轉速升高50%，噪聲增加10dB。如電機的旋轉方向單一，使用軸流風扇對降低噪聲非常有效。

電源頻率和諧波分量對電磁噪聲影響很大。國標GB 10069.3中第7章專門分析了噪聲增量，當載波頻率較低時，變頻器引起的噪聲增加量可能高達15dB。電磁噪聲的增量與變頻器類型、寬頻譜設計密切相關。即使電磁噪聲的增加并未使電機噪聲顯著增加，也會顯得更加刺耳。

電機的轉速范圍較寬時，某些轉速會使電機與設計產生共振，這是很難避免的。可以設置越程帶，以跳過共振頻率段。

由諧波產生的振蕩轉矩，頻率取決于載波頻率，幅值取決于脈沖寬度。若載頻與其頻的比值較低，振蕩轉矩的幅值可達15%。另外，變頻器輸出電壓不對稱（即使很小）也可能產生振蕩轉矩，然后傳遞給負載，需要預防。

電氣絕緣

電壓源變頻器產生不同寬度和頻率的固定振幅電壓方波脈沖；其輸出電壓上升時間約50~400ns；為減小功率器件的開關損耗，應盡可能縮短上升時間。這種對電機端電壓重復性的突增，勢必降低其絕緣壽命；具有較快上升時間和較高電壓的浪涌對絕緣損壞的危害更嚴重。另外經驗表明，電纜長度增加使電機的沖擊電壓更大，上升時間也更長；如電機和變頻器安裝在一起，電壓突變會減小。

較短上升時間的沖擊導致電壓在整個線圈中分布不均衡，線圈匝間出現高強度應力。上升時間越短，線圈第一匝承受的電壓越大，容易使絕緣擊穿。

為了提高絕緣系統的局部放電起始電壓或電暈起始電壓，電機設計者應考慮以下因素：

A、繞組型式：散嵌繞組或成型繞組；

B、相間和接地絕緣材料；

C、浸漆種類及浸漆工藝；

D、導線尺寸、導線絕緣類型、導線絕緣厚度；

E、運行溫度、環境空氣質量。

軸電壓、軸電流

當軸承兩端的電壓超出了潤滑劑的絕緣能力時，就會產生軸承電流。軸電壓產生的原因有：

A、磁路不對稱：產生低頻軸電流；

B、靜電聚集；

C、高頻電壓：與電源的高頻率開關有關。

高頻軸承電流有三種：循環電流、軸接地電流和電容性放電電流。

1、循環電流：大電機定子軛部的高頻磁通經過機座、端蓋，與軸和軸承形成導電回路；該磁通由繞組泄漏到定子鐵心的電容性電流產生，感應出軸電壓影響軸承。這個電流可疊加在低頻電流之上。

2、泄漏到機座的電流須回流到變頻器中；因為機座的電位比地高，故會有部分電流經軸承、軸和傳動機械返回至變頻器。

3、共模電壓在電機內部電容上的電壓分布會引起擊穿軸承潤滑劑的軸電壓從而產生高頻軸承電流脈沖。如果軸伸沒有經傳動機械接地而電機機座接地保護時，就會發生這種現象。

防止高頻軸電流的方法：

A、適宜的布線和接地系統；

B、改變軸承電流回路；

C、削弱高頻共模電壓；

D、使用絕緣軸承或在軸承的任意一側采取絕緣措施；

E、用濾波器降低共模電壓和du/dt；

F、采用非導電聯軸器；

G、在軸和端蓋之間用電刷接觸；

H、盡可能使用低電壓電機和變頻器；

I、降低變頻器的載波頻率（注意其它影響）；

J、避免使用雙重轉換（并聯開關）。

以上措施并非使用一條即可，通常需要2條以上綜合使用。

接地和EMC

為使傳動系統無干擾運行，須采取措施保證高頻時的有效接地，這就要求安裝地面、電機及負載設備的外殼、變頻器線路板與大地處于等電位。另外，正確的接地可有力削弱電機軸和機座的電壓，減小高頻軸電流，并對相-地絕緣電壓有影響。

接地電纜的規格應符合相關標準（如GB 14711）和法規。

對于100kW以上電機，要求機座與負載機械之間搭接，這是為了實現等電位和提高接地效果。例如，電機接線盒處和機座底腳處的接地端子最好用導線或金屬編織帶連起來。

大于30kW電機宜用單芯動力線和多根接地線對稱配置的電纜以減小高頻軸電流和電磁干擾。

如以屏蔽層作為防護導線，屏蔽層電導至少應達到主導體電導的50%，高頻情況下至少要達到10%。電纜屏蔽應兩端接地；如電纜兩端須去除屏蔽層，那么去除長度應盡量短。

結束語

可能有的讀者已經看出，以上內容大都來自國標《GB/T 21209-2017 用于電力傳動系統的交流電機 應用導則》，該標準等同采用IEC 60032-25:2014。本文只是作（拋）一（磚）提（引）示（玉）。最后要感嘆一句：這真是個好標準，簡直就是變頻電機的設計指南。