爱华网1、电动机的效率和温升的问题
不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为调制比）。
高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%--20%。
2、电动机绝缘强度问题
目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。
3、谐波电磁噪声与震动
普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。
4、电动机对频繁启动、制动的适应能力
由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。
5、低转速时的冷却问题
首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机再转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。
二、变频电动机的特点
1、电磁设计
对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：
1）尽可能的减小定子和转子电阻。
减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增
2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。
3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。
2、结构设计
再结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题：
1）绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。
2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。
3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。
4）防止轴电流措施，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。
5）对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。
同步电动机：
一、特点：
1、功率因数超前，一般额定功率因数为0.9，有利于改善电网的功率因数，增加电网容量。
2、运行稳定性高，当电网电压突然下降到额定值的80%时，其励磁系统一般能自动调节实行强行励磁，保证电动机的运行稳定。
3、过载能力比相应的异步电动机大。
4、运行效率高，尤其是低速异步电动机。
二、启动方式
1、异步启动法，，同步电动机多数在转子上装有类似与异步电机笼式绕组的启动绕组。再励磁回路串接约为励磁绕组电阻值10倍的附加电阻来构成闭合电路，把同步电动机的定子直接接入电网，使之按异步电动机启动，当转速达到亚同步转速（95%）时，再切除附加电阻。
2、变频启动，用变频器启动，不在赘述。
三、应用
作过油田节电的师傅都知道，油田的抽油机电机，由于要求的启动转矩大，工程师设计时一般将电机设计的很大，这就出现“大马拉小车”现象，如：55KW的抽油机电机，再平衡块基本调好后，其实际有功一般在十几个KW，有时还小。我曾做过这样的改造，将抽油机55KW异步电动机改为22KW同步电机，后用变频器控制，当然也可以根据排液量或别的信号进行自动控制。节电率可达40%。
因此，异步电动机，同步电动机，变频电动机三者各有特点，主要看您所控制的工况环境，当然还要根据工程成本，能用异步电机尽量用异步电动机。
异步电机和同步电机最主要的区别是什么?
异步电机又叫感应电机，转子上的电磁场是通过定子磁场感应出来的。同步电机转子上要有自带的磁场。
异步电机的转速会随负载的不同，略有改变，而且这个转速是低于定子磁场的转速的，所以才叫异步电机。同步电机转速严格的按定子磁场转速旋转，所以叫同步电机
异步电动机可以直接启动。同步电动机要有专门的启动装置或者启动绕组，所以制造工艺复杂，造价高。
异步电机一般用来做电动机，同步电机一般用来做发电机，也用来做补偿机
异步变频电机发展综述
引言
电力拖动系统分为恒速拖动系统和调速拖动系统。调速拖动系统又可分为直流调速系统和交流调速系统。用直流电机可方便地进行调速，因其具有优良的转矩控制性能，但由于本身结构特点，直流调速有几个主要缺点:(1)直流电动机容易出现故障，维修困难。(2)使用场合受到限制，在易燃易爆以及环境恶劣的地方不能采用。(3)由于直流电动机的结构因素使单机容量及转速受到限制。(4)直流电动机的价格高于交流电动机。随着电力电子技术的发展，近年来交流调速获得飞跃的发展，采用交流电机拖动方式逐步占据了主要地位。交流调速具有下面几个优点:(1)交流电动机特别是笼型异步电动机的价格远低于直流电动机。(2)交流电动机不易出现故障，维修简单。(3)使用场合没有限制。(4)电动机的单机容量远大于直流电动机。随着交流调速的发展，它的调速性能已可与直流调速系统技术相媲美，已有取代直流调速系统的趋势，从而进人交流调速系统时代。
1 技术概况
近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率为可以充分利用的资源川。
交流电动机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电动机，也适用于同步电动机。采用变频调速不但能实现无级调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电动机始终运行在高效区，并保证良好的动态恃性。交流变频调速系统在调速时和直流电动机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电动机采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电动机的起动电流，增加起动转矩。
变频调速系统目前广泛应用的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为恒WF控制。这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控制系统结构简单、成本低，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。
转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用带转速反馈的闭环控制。对此人们又提出了转速闭环转差频率控制的变频调速系统。转差频率控制是从异步电动机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立。一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场合，而在要求电动机转速作出快速响应的动态过程中，电动机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电动机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此如何在动态过程中控制电动机的转矩，是影响系统动态性能关键。70年代西门子工程师Btaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题，从而获得与直流调速系统同样的动、静态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在变频器产品上。在80年代中期，Depenbrock教授提出直接转矩控制，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单。
随着新型功率器的产生，微处理器的高速化以及现代控制理论的发展，变频电机控制技术的发展方兴未艾，各种新型的控制策略正在不断涌现，这必将进一步的推动变频调速技术的不断发展。
2 研究状况
02 世纪09年代以前，人们对变频调速系统的研究主要集中在变频器的拓朴结构以及控制算法上，并且取得了较大的进展，使电动机传动的动态性能和调速精度得到了大大的提高。但变频器供电电动机的效率、功率因数和功率密度等稳态性能却没有得到相应的重视和研究。尤其是高压大容量的电动机传动系统中出现了低效率和低功率因素的问题，使得人们重新认识到电动机在变频调速系统中的稳态性能与其动态性能一样重要。对不同的控制方法，电动机在效率、功率因数以及温升等性能上都有很大的差别。提高电动机在变频调速系统中的稳态性能，不仅可以极大地节约能源，而且还能提高电动机运行的可靠性。因此，必须重新考虑电动机在变频调速系统中的设计问题。
应用交流调速技术的主要目的:一是为了节能;二是为了获取高精度的转速转矩控制;三是为了实现高速驱动。在变频调速中，由于电动机由变频器供电，这与传统工频正弦波供电的电动机存在着很大区别。一方面，前者在从低频到高频的宽频范围内运行;另一方面，电源波形是非正弦的。而目前广泛采用的SPWM正弦脉宽调制技术，虽然大大抑制了低次谐波，降低了电动机的脉动转矩，扩展了电动机低速下平稳运行的范围;但在这种调制方式中，逆变器的输出电压波形中含有相当高的由于调制而引起的谐波分量，特别是在输出电压较低时，情况尤为严重，其幅值往往可达到与基波相近的程度。电动机在这种供电状况下工作是极不理想的。由于这些高次谐波的存在，定、转子由于集肤效应使电阻增大，致使定转子铜耗增大，这对于双鼠笼及深槽式转子电机尤为严重。同时，高次谐波还会使铁耗及杂散损耗大大增加，最终降低电机运行效率。其次，由于高次谐波的存在，还会产生电磁振动和噪声。这一点对于正弦波电源供电的电机来讲已是很困难的问题了，而对于由逆变器供电的电机，由于电源的非正弦性，使问题变得更为复杂和棘手。此外，在低频运行时仍然可能出现一定程度的低次谐波，从而在低速运行时产生脉动转矩，影响电机低速稳定运行。
由于变频调速电机调速范围广，一般调速比为1:10，也即要求电动机在SHz频率下能低速稳定运行。由于这时转速很低，普通电机采用的自冷式风扇冷却方式提供的冷却风量已大大减少，散热效果已大大降低，必须采用其他冷却方式或提高绝缘等级。
20世纪90年代以来，越来越多的注意力投向变频电动机的设计研究中。变频电动机的设计都从额定电压的确定方法和电机参数的设计人手，但在文献中还有一些特殊考虑，比如转子不斜槽，以避免由于斜槽产生漏磁通造成的损耗;定子绕组采用多股并绕，以减小定子集肤效应影响;采用他冷式风扇通用结构等等。有些设计在分析了变频电动机的转矩转速特性后，总结了变频变压调速给电机带来的效率、温升以及对频繁起、制动的适应能力等间题，并对电机进行了电磁设计和结构设计，还重点考虑了变频器供电对电机的影响，从分析静止变频电源的特点以及电动机运行特性，对在非正弦波电源系统上运行的电机存在的问题进行分析，提出了相应的设计方案。在变频电动机的设计中，有学者根据“变频电机的额定电压一般应确定为逆变器的最大输出电压”之原则，将电压分解为基波相电压和各奇次谐波相电压，设电机磁路不饱和，采用“叠加原理”分别计算他们对电机的作用。由于这种假设的限制性，该设计方法的应用存在局限。1999年国内有学者首次建议电机制造厂同时供应变频电源装置，做配套试验后出厂。他对变频电动机进行全面分析，给出了转子电阻、定、转子电抗随频率变化的规律和曲线，采用简化公式来估算变频电动机的高速最大转矩、低速起动转矩和起动电流能否适应调速要求，然后对变频调速电动机的设计提出意见。
电机优化有助于节能，能更好地发挥电机性能。现在主要的优化算法有遗传算法、模拟退火法、FBT法和随机算法阁。国外学者在优化方面还提出了新的异步电机主要尺寸设计公式，能对整体尺寸进行优化，并分析了由逆变器供电的异步电动机的好处，对设计进行革新。清华大学电机工程与应用电子技术系的赵争鸣教授对异步电机的优化作了大量的工作，特别针对变频电动机提出了从电机转子槽形到整体优化的新方法，编制了一套包括设计、参数计算、仿真和结构等功能的软件包。由于变频电动机转子槽形对电机性能影响较大，通过优化转子槽形就可以提高变频电动机的电磁性能。一般，变频电动机转子槽形采用直槽、上宽下窄，槽形宜浅不宜深。
随着变频电动机设计的深人，对电机性能的分析和参数计算显得尤为重要，它为电机的优化设计提供了参考依据。对变频电动机性能的分析，主要是对脉动转矩、损耗、效率、温升和电机绝缘结构等进行分析。安徽机电学院的陈其工教授对变频电动机作了具体的设计与性能分析，提出了采用软件技术来抑制谐波电流和脉动转矩的思想。在槽参数计算方面，国内中小型电动机设计中采用近似解析解法。该解法的计算公式及曲线，主要是依据国外文献做出的。国内学者还对近似解析解法的计算公式做了简化和修改。这些方法优点在于能够写出解析表达式，使槽形尺寸对槽参数的影响能够比较直观、定性地看出。而采用有限元法计算了鼠笼转子凸形槽的起动槽参数时，往往以一个槽为求解域，计算时还做了以下假设:1对各种槽形，均假设磁力线平行通过槽内 2当电源频率、电阻率以及导条宽与槽宽之比均相同，对宽度渐变的槽，不论槽形如何，透入深度皆相同。
但对于形状比较复杂的槽，这些文献在计算中所作的一些假设与实际磁场分布有较大的出人，直接影响到槽参数的准确计算。
3 发展前景
变频电动机与逆变器作为一个整体，随着电力电子技术、计算机和控制技术的迅速发展而发展，其主要特点为:
1） 电力电子、电动机及控制技术一体化。国外主要电动机生产公司早已迅速摆脱了单一电动机生产制造模式，而大大扩展了电动机的外延和内涵，以成套机电产品形式走向市场。
2) 集成化和智能化。电动机的高新技术附加含量愈来愈高。电动机本体内不仅仅包含定、转子，而且内含电力电子元器件及各种控制线路，使得电力电子、电动机、控制不仅在运行上形成一体，在外观上亦融为一体，具有相当高的“智能”称之为“SmartMotor”(智能电动机)。
3) 高性 能 和高可靠性。由于电动机及控制系统制造成本远远低于其运行成本，所以高性能及高可靠性成为衡量电动机及其系统优劣的第一标准。高效、、高功率因数、宽调速范围及高故障容错能力成为先进电动机系统的重要标志。
4) 新材 料 、新结构层出不穷。电动机中的导电、导磁及绝缘材料已发生了很大的变化。高性能材料的成本价格不断下降。同时，电力电子元器件材料亦不断更新，为电动机与控制提供了新的物质条件。
值得注意的是:正是在与电力电子逆变器和控制技术有机地结合起来，传统电动机产品才真正得以改造和更新，形成新一代高新技术产品，使之获得高性能、高可靠性、高质量和高附加值，同时节约能源和原材料，降低消耗和污染，从而适应现代化市场的需要，增强产品的市场竞争能力。
4 结论
交流调速是以电子半导体器件为核心，以交流电动机为主体，涉及到电机、电子、自动控制等多门学科。交流异步电机变频调速又以其性能优越、使用面最广、应用前景广阔而受到人们的青睐。而现代控制技术、交流技术以及大功率自关断器件的迅速崛起和发展，恰好为交流调速的推广应用奠定了坚实的物质基础。然而，应该看到，与之配套使用的交流电机的研究，仍然是一个比较薄弱的环节，对变频异步电机的设计，尚未形成完备理论或一整套方法，在设计和使用变频电机时还有许多技术问题需要研究和解决。
矢量控制原理、转矩控制原理
一矢量控制理论简介：
70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制
二直接转矩控制简介：在80年代中期，德国学者Depenbrock教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。
直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。
