在歷史進程中,交流電動機出現比變頻調速裝置要早,變頻器基本上是針對已有的電動機來“配套”運行的。但是,在電動機和變頻器之間存在著相互適應的問題。在變頻調速日益普及的今天,結合變頻工況的特點來設計制造專用電動機,可以獲得更加合理的效果。
傳統異步電動機的設計中特別需要考慮要使起動轉矩足夠大,以保證電機帶載起動,并縮短起動過程。按照電機理論,增大起動時的轉子電阻就可以增加電機的起動轉矩,但在正常運行時,較大的轉子電阻又會增加正常運行時的損耗。所以可以將轉子設計成雙鼠籠繞組或深槽結構:起動時磁場已按同步轉速轉動,轉子繞組尚處低速,二者相對運動速度比較大,集膚效應顯著,轉子電流被“擠”到外鼠籠或深槽的近表面層,這樣轉子繞組的有效電阻增大,起動轉矩增加;而在正常運轉時,轉子轉速與磁場轉速接近,二者相對運動速度比較小,集膚效應幾乎消失,轉子電流比較均勻地分布在整個轉子繞組中,轉子電阻恢復正常,損耗減小到正常值。這本來是很好的設計構思,但它又必然使轉子的徑向尺寸加大,定子尺寸也必然隨之加大,整個電機的有效材料和結構材料都要增多。但這都已被認為是十分正常、無可挑剔的。
但是,在變頻工況下,電動機依施加頻率的逐漸提高而起動,磁場旋轉速度隨頻率同步加快,轉子也始終可以與當時的磁場轉速接近,不產生明顯效應;另一方面,電動機的轉矩-轉速曲線又是隨著頻率變化而向低速側平移,在變頻工況下,低頻時的轉矩向最大轉矩靠近。也就是說,變頻工況下電動機的起動轉矩不是問題,不需要像傳統電機那樣靠增加轉子電阻來提高起動的轉矩,加上變頻起動時轉子繞組不存在明顯的集膚效應。所以雙鼠籠或深槽的結構對變頻起動是不必要的。在同樣功率下,變頻工況專用電動機可以把轉子槽形設計得淺扁一些,徑向尺寸明顯縮小,電機的整個尺寸和材料消耗都相應減少,電機效率反而提高。這是利用了變頻工況有利的一面。
另一方面,變頻工況下電機中會出現諧波電流和相應的諧波磁場。它們會引起諧波損耗而使電機發熱增加,還可能出現諧波轉矩,使電機在起動過程中出現附加振蕩。這給電機設計提出新的要求:選擇合理的定子與轉子槽數,采取適當的斜槽措施,減少諧波轉矩的影響。另外電機中的諧波又分成兩種:一是由電流諧波激發出的時間諧波磁場;二是由繞組分布得不連續而形成的空間諧波磁場。如果通過仿真選擇適當的方案,使兩種諧波得到適當補償也是值得探討的。所以,嚴格地說,傳統設計的電機在變頻運行時需要考慮降容量運行;變頻工況專用電動機設計制造時可以大大削弱諧波的影響。所以,權衡正、負兩方面的影響,設計出適合變頻工況專用電動機,可以得到揚正抑負的效果。