GB/T 21209-2007变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则

ICS29.160
中华人民共和国国家标准
GB/T21209-—2007/IEC/TS60034-25：2004变频器供电笼型感应电动机
设计和性能导则
Guidefor the design and performance of cage induction motors specificallsdesignedforconvertersupply
（IEC/TS60034-25:2004IDT）
2007-12-03发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2008-05-01实施
中华人民共
国家标准
变频器供电笼型感应电动机
设计和性能导则
GB/T21209-2007/IEC/TS60034-25;2004*
中国标准出版社出版发行
北京复兴门外三里河北街16号
邮政编码：100045
网址spc.net.cn
电话：6852394668517548
中国标准出版社秦皇岛印剧厂印刷各地新华书店经销
开本880×12301/16
2008年4月第一版
印张2.25
字数63千字
2008年4月第一次印刷
书号：155066·1-31160
如有印装差错
定价26.00
由本社发行中心调换
版权专有侵权必究
举报电话：（010）68533533
规范性引用文件
术语和定义
系统特性
系统信息
转矩/转速因索·
变频器控制类型
变频器输出电压
对电动机的要求
损耗及其影响
电压源变频器供电的电动机损耗附加损耗的产生和减少方法·
变频器特性对降低电动机损耗的影响·温度和预期寿命
电动机效率的确定
动和振荡转知
颖器供电的感应电动机的
功率级的确定及值
最动烈度的确定及限值
电动机绝缘介电应力
绕组介电应力
绝缘应力承受能力
变频器特性·
降低电压应力的方法
电动机选择
轴承电流
变频器供电电动机轴承电流的来源，高频轴承电流的产生…
：共模电路
8.4杂散电容
过量轴承电流的后果
GB/T21209—2007/IEC/TS60034-25:2004次
GB/T21209-—2007/IEC/TS60034-25:20048.6防止高频轴承电流损害.
9.1接地、搭接接地和布线
92电抗器和滤波器.
附录A（资料性附录）
变频器输出频谱
.........................
..........
版）。
GB/T21209—2007/IEC/TS60034-25.2004本标准等同采用IEC/TS60034-25：2004《变频器供电的笼型感应电动机设计和性能导则》（英文本标准的附录A是资料性附录。
本标准由中国电器工业协会提出。本标准由全国旋转电机标准化技术委员会（SAC/TC26)归口。本标准负责起草单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司。本标准参加起草单位：山东华力电机集团股份公司、武汉卧龙湖北电机有限公司、上海南洋电机有限公司、西安西玛电机有限公司、江苏锡安达防爆股份有限公司、无锡华达电机有限公司、浙江金龙电机股份有限公司、长江航运集团电机厂、威灵清江电机股份有限公司、江西特种电机股份有限公司、湘潭电机股份有限公司、闽东安波电器有限公司、中国北方机车车辆工业集团永济电机厂、江苏大中电机股份有限公司、河北衡水电机股份有限公司等。本标准主要起草人：李秀英、顾卫东、张文斌、邓汉辉、岑兆奇、薄月琴、陆进生、吴国华、叶锦武、柏皓光、刘宇琼、吴冬英、李春林、韩顺虎、张彩霞、王荷芬、曹中水。GB/T21209—2007/IEC/TS60034-25:2004引言
本引言的目的是为了说明本标准。电动机的种类：
有两种类型的电动机可应用于变速驱动系统。为一般用途设计的标准笼型感应电动机。这类电动机的设计和性能经过优化以适宜在恒频正弦波供电电压下运行。不过它们仍然适用于变速驱动系统。GB/T20161-一2006给出了在这些场合应用的导则，为变频供电专用设计的笼型感应电动机。这类电动机的设计和结构以标准笼型感应电动机符合标准的机座号及尺寸为基础，但进行了一些改造以适宜变颠供电运行。本标准涵盖了此类型的电动机，并且在本标准中推荐使用基准值对电动机进行标记。1000V以上变频器供电的电动机或除了电压源供电的变频器，均在本标准的下一版考。电动机与电气传动系统的整合：图1为电气传动系统（PDS)的图解，电气传动系统由电动机和成套传动模块（CDM)组成，但不包括由电动机传动的设备。成套传动模块（CDM）由基本传动模块（BDM）及可能的外部扩展（例如馈电部分）或者一些辅助设备（例如通风装置）组成。BDM含变频器、控制器及自保护功能。GB/T12668.22002涵盖了整个PDS系统的额定值和性能。注：GB/T12668.2—2002中的图1提供了PDS系统详尽的结构参数，IEC60034系列涵盖了与电气传动系统适当整合的电动机本体及其附加要求。电源供电
电源转换
IEC60146
(所有靠分）
IEC60034
（所有部分）
电气传动系统
IEC61800
（所有需分》
控制器、
保护器、
输助设备
动设备
系统标准
GB/T12668.22002
整个PDS的额定值和性能一
非单个子系统
功能单元：
变频器特性及其与电气传动系统的关系：应用导则（控制策略、诊断、拓养）变频器供电施型够应电动机导购GB/T201612006
一股用途龙型够应电动机
GB/T212092007变频供电专用设计的笼型感应电动机
电气传动系统的组成部分
1范围
GB/T21209-—2007/IEC/TS60034-25:2004变频器供电笼型感应电动机
设计和性能导则
本标准描述了1000V及以下电压源型变频器供电专用多相笼型感应电动机的性能特征和设计特点。本标准还规定了作为电气传动系统一部分的电动机和变频器之间的接口参数和相互作用，包括安装指南。
注1：电动机若运行于潜在爆炸性气体环境，应符合GB3836系列给出的附加要求，注2：安全性并非本标准的主娶涉及内容，但其给出的一些建议牵涉到必须考虑的安全性间题。注3：若变频器制造商给出了特定的安装建议，则应优先采用其建议，再参照本标准。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB755-2000旋转电机定额和性能（idtIEC60034-1：1996）GB/T755.2—2003旋转电机（牵引电机除外）确定损耗和效率的试验方法（IEC60034-2：1972，IDT)
GB/T1993—1993
3旋转电机冷却方法（eqvIEC60034-6：1991）GB100682000
轴中心高为56mm及以上电机的机械振动(idtIEC60034-14:1996)
GB10069.3—2006
旋转电机噪声测定方法及限值
GB/T12668.2—2002
调速电气传动系统
额定值的规定（IEC61800-2：1998.IDT）GB/T12668.3—2003
调速电气传动系统
方法（IEC61800-3：1996，IDT）GB/T20161—2006
17.2002.IDT)
IEC61800-5-1
3术语和定义
旋转电机
振动的测量、评定及限值
第3部分：噪声限值（IEC60034-9：1997第2部分：一般要求
低压交流变电气传动系统
第3部分：产品的电磁兼容性标准及其特定的试验第17部分：变频器供电的笼型感应电动机应用导则（IEC60034-调速电气传动系统
下列术语和定义适用于本标准。3.1
搭接接地bonding
设备的金属部件的电气连接并接地。第5-1部分：安全要求
电气、热和能量
注：本标准中，该定义结合了IEV195-01-10（等电位连接）和IEV195-01-16（功能性等电位连接）中的要素，3.2
变频器
converter
由一个或多个电子开关器件和相关的元器件，与变压器、滤波器、换相辅助器件、控制器、保护和辅1
GB/T21209—2007/IEC/TS60034-25:2004助部件（若有）组成的，用于改变一个或多个电气特性的电力变换用的工作单元。注：这个定义取之于GB/T12668.2一2002，IEC60034这一部分中包含的成套传动模块（CDM）和基本传动模块(BDM)术语与GB/T12668系列所述一致，3.3
EMC（电磁兼容性）EMC（electromagneticcompatibility）一个设备或系统能在其电磁环境中正常地运行而对该环境中的其他设备不产生过度电磁干扰的能力。
弱磁fieldweakening
当电机磁通低于电动机相应的定额磁通时的一种运行模式。3.5
peakrisetime
峰值上升时间
从峰值电压的10%上升到90%之间的时间间隔（见图14）。3.6
电气传动系统
powerdrivesystem
由电力设备（包括变频器部分、交流电动机和其他设备，但不限于债电部分）和控制设备（包括开关控制，如通/断控制电压、频率或电流控制、触发系统、保护、状态监控、通讯、测试、诊断、生产过程接口/端口等)组成的系统。
保护接地
protectiveearthing
为了电气安全将一个系统、装置或设备中的一点或数点接地。越程带
skipband
当PDS稳态运行被抑制时的运行频率中的小波段。surfacetransferimpedance
表面传输阻抗
同轴电缆外表面上的电流在同轴电缆中心导线上单位长度感应的电压份额。系统特性
4.1概述
虽然对任何应用场合规定电动机和变频器特点的方法都很相似，但最终的选择在很天程度上受到应用类型的影响。在本章中，叙述了这些方法并讨论了各种类型应用负载的影响。4.2系统信息
了解包括传动负载、电动机、变频器和电网电源的完整的系统信息是使系统中电动机达到要求性能的最佳方法。通常该信息应包含：·不同转速时的功率或转矩要求；·负载和电动机的期望转速范围：·受控过程中的加速度和减速度要求；.起动要求，包括起动次数和负载说明（折算到电动机轴上的转动惯量、起动时的负载力矩）；·是连续应用过程还是起动、停止和速度变化的周期工作制应用；·包括了传动系统元件运行的环境在内的应用类型的一般说明：·电动机和变频器本身不能满足的附加功能说明（如：电动机温度监控、必要时变频器的路能力、特殊的时序回路或控制系统的基准速度信号）；2
GB/T21209-—2007/IEC/TS60034-25:2004可用的电源和布线说明，最终的配置将受所选择系统的要求影响。4.3转矩/转速因素
4.3.1概述
图2、图3和图4所示分别为变频器供电的笼型感应电动机的典型的转矩/转速特性、主要影响因索和其结果。根据电气传动系统的性能要求，可以设计出适应各种限值的不同类型的电动机。注：图2~图4没有示出可能的越程带（见4.3.5）。4.3.2转矩/转速性能
图2所示为变频器供电的笼型感应电动机的转矩/转速性能。可获得的最大转矩受电动机定额和变频器电流限值的限制。在弱磁频率f。和转速n。以上，电动机可以恒功率运行，其转矩正比于1/n如果达到了最大转矩的最小值（正比于1/），则功率按1/n比率降低，转矩按1/比率下降（扩充的区域）。最大转速n受机械强度和转子稳定性、轴承系统的速度承受能力和其他机械参数的限制。0
连续运行
—短时运行
起动提升
恒转矩范围；
恒功率范围；
扩展范围：
独立冷却；
自冷却。
图2转矩/转速性能
图3所示为相应的变频器输出电流（I）性能。f
变频器输出电流
GB/T21209—2007/IEC/TS60034-25:20044.3.3电压/转速特性
变器输出电压（U）可按不同方式随转速变化，如图4所示。U
电压随速度增加而增加，在弱磁频率f。时达到最大输出电压U电压随速度增加面增加，在弱磁频率。以上达到最大输出电压U.，这扩大了恒磁通的范围（恒转矩），但在这一速度范围内有效转矩减少；电压随速度增加而增加至弱磁频率f处，然后以缓慢的速率增长，并在处达到最大输出电压Us，以避免在恒磁通范围内出现过大的转矩降低；在低速时提高电压以改善起动性能。在任意情况下，依据负载转矩-转速的要求，电压-转速的关系可能为线性或者为非线性。变频器输出电压
转矩/转速性能的限制因素
表1所示为影响转矩/转速性能的主要因素。表1影响转矩/转速性能的主要因素状态
最初起动
恒定磁通
弱磁行（降低磁通）
动态响应
越程带
电动机
最大磁通
冷却（电流变化的R摄耗）
最高转速（机械强度及稳定性）最大转矩值（最大转矩）
等值电路参数（模拟确定）
变频器和电动机
最大电流
最大电流
最高电压
控制性能
变频器供电的电动机的转速范围内所包含的某些速度会使电动机定子、电动机/负载的轴系统或从动设备的部件产生共振。通过变频器的设置，有可能跳过这些共振频率。然而，即使跳过了共振频率，当电动机运行于该共振转速之上的任何转速时·仍将带动负载加速经过该共振速度。减少加速时间有利于减少共振时间。
4.3.6工作制
4.3.6.1概述
在各种工作制运行中，负载或转速经常变化（见GB755一2000），会在一些方面影响电动机和变频器。
电动机散热随转速和冷却方式而变化。·可能要求电动机的转矩大于满载转矩。为了加速、操纵最大负荷基至使负载减速，可能要求电动机高于满负荷运行。高于额定电流运行将增加电动机的发热。当电动机过载时需要采用比4
GB/T21209—2007/IEC/TS60034-25:2004额定时更高温度的绝缘等级或对电动机所运行的工作制进行评定以确定电动机是否具有足够的冷却能力（见GB755—2000，S10工作制）为使电动机减速，可能要采用直流制动、能耗制动或再生制动。无论电动机产生转矩驱动负载或电动机由负载驱动产生能量回馈至变频器，还是在减速时给绕组通以直流电以提供制动转矩，电动机的发热都近似与电流平方成比例。工作制分析时应包含该发热。而且，制动时在轴上产生的瞬态转矩应控制在不致使电动机损坏的程度。注：IEC61800-6给出了负载工作制的信息和整个PDS的电流确定，4.3.6.2高冲击负载
高冲击负载运行是一种特殊的工作制，出现在特定的间款转矩应用中（例如，GB755一2000，S6工作制）。在这些应用中，电动机快速加载或卸载。该负载转矩有可能是正的（与电动机旋转方向相反），也有可能是负的(与电动机旋转方向相同）。这种高冲击负载将导致电动机所需的电流（来自于变频器）迅速增加或减少。如果该转矩是负的，电动机会回馈电流至变频器。这些瞬态电流在定子绕组中产生应力。该瞬态电流的大小是变频器和电动机容量的函数。
4.4变频器控制类型
4.4.1概述
变频器有多种控制类型：标量控制、失量控制（无传感器或反馈控制）、直接磁通转矩控制等。每种类型都具有不同的特性，在4.4.1.1~4.4.1.3中进行了说明。4.4.1.1标量控制
在电压/频率变频器中标量控制是最初的概念，在这种变频器中，根据输出频率控制输出电压，图4所示为各种实现方法的例子。
当变频器输出电压与频率成比例时，即使没有速度反馈信号电动机也近似恒磁通运行。通常采用电压提升（在变频器输出电压上增加一个固定电压）、即常规的电压补偿（定子绕组电阻压降）或超前的动态电压补偿的方法来提高低速区的起动和运行性能。当电动机电压较低时，在低速区提升电压效果较好，但应确保电压提升后不使电动机磁路饱和。当电动机轻载时，电压提升量与电动机的电流大小成比例，电压补偿可改善其性能。许多标量控制采用特殊的算法对由电动机定子电阻和电感造成的电压降进行动态补偿。在低速区，这种方法对改善电动机的起动和运行性能更加有效，且通过附加的电机电压和电流反馈信号，即使在较低频率区，这种控制也能使电动机产生与失量控制相近的转矩值。标量控制通常用于对转矩或转速指令快速响应无要求的场合（如离心泵和风机），尤其适用于单台变频器给多台电动机供电的场合。4.4.1.2失量控制
交流矢量控制变频器本质上是对产生电动机的磁通和转矩的定子电流进行分解，以便分别加以控制。
无论是否具有速度反馈信号，都可通过等效电路（数学模型）对电动机特性进行计算而实现电流分解
可根据电动机的性能要求水平，采用不同的近似方法进行等效电路计算。此外，利用速度反馈（传感器）信号可进一步改善电机性能。4.4.1.3直接磁通转矩控制
直接磁通转矩控制变频器具有滞后（即“滑模”）控制型式，无论是否采用速度反馈信号，都通过电动机的数学模型计算调整其磁通和转矩这种控制类型中没有调制器，变频器中每个功率半导体的开关切换都是独立的。此外，利用连度反馈（传感器）信号可进一步提高电机性能、这种控制类型的基本原理是使电动机以尽可能快的速度达到所要求的转矩和转速。5
GB/T21209-—2007/IEC/TS60034-25:20044.4.2变频器类型选择
上述三种控制类型都适用于恒转矩应用和转矩随转速而增加的场合（如离心泵或风机）。然而，选择变频器时应考虑到每一项性能要求以确保达到最佳运行状态。通常，应注意以下方面内容
·标量控制可用于一台变频器给多台不同定额的电动机供电并联运行的场合（多电机运行）。·虽然可通过动态电压补偿提高低速运行时的性能，但标量控制还是不能满足低速负载运行要求（约低于10%基准速度）。
·通过动态电压补偿可使标量控制下的稳态转矩能力与无传感器矢量控制等同。·标量控制和失量控制或直接磁通转矩控制之间最显著的差别在于动态响应。如果需要满足以下一项或多项特性要求，则需采用失量或直接磁通转矩控制：零转速附近运行：
精确的转矩控制：
低速时产生高峰值转矩。
·矢量控制或直接磁通转矩控制，可用于多台相同定额电动机运行，可带或不带速度反馈。：失量控制与直接磁通转矩控制的特性几乎相同，因为两者都用电动机数学模型计算，可带或不带微通或转速传感器
更为详尽的内容参见GB/T12668.2-—2002。4.5变频器输出电压
4.5.1脉宽调制(PWM)
PWM适用于由“载波频率同步控制器（“调制器”）控制变频器的转换切换而输出电压的方案。调制器控制变频器的输出转换模式，使其输出电压与目标值相等。注：输出电压是指对应于开关频率的电压的平均值和对应于变频器基本输出频率的电压的瞬时值。载波频率可与工频或输出频率同步。选择适当的载波频率可以减少电动机的损耗、电流纹波或噪声，也可使载波频率保持波动（“摆动”或“随机”PWM)以使输出电压的谐波频谱分布于较宽的范围。此外，可应用特殊的控制技术优化电流波形或频谱，如使电流峰值最小或消除某些谐波。4.5.2沸后（滑模）控制
滞后控制适用于由“非载波频率”（非同步）控制器控制变频器的转换切换而输出电压的方案。一且控制参数的实际值与基准值之差超过一定值时即进行转换切换。滞后切换可具有多个控制参数：电压、电流、磁通或转矩，取决于控制型式4.5.3开关频率的影响
变频器的输出开关频率将影响（电动机和变频器中的）损耗和整个系统的噪声及转矩脉动。虽然不可能给出这些影响的精确值，但图5、图6和图7以一般的方式进行了表示。这些图仅用于说明，不能进行比较计算。
注1：在图5中，纵坐标表示的电动机损耗和变频器损耗不同、变频器损耗通常低于电动机损耗，注2：对于不采用固定载波频率的调制方案，“开关频率“是指平均每秒切换脉冲的次数。B
A——电动机损耗：
B变频器损耗。
图5开关频率对电动机和变频器损耗的影响6