高效二相SVPWM变频专用电动机项目可行性实施报告.docx
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高效二相SVPWM变频专用电动机项目可行性实施报告
高效二相SVPWM变频专用
电动机项目
可行性研究报告
（技术开发）
一、国际水平、现状及发展趋势
近10年来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，变频调速使笼型三相交流异步电动机实现了以往传统控制难以达到的优良调速性能，在调速围、动态响应、调速精度、低速转矩、转差补偿、功率因数、工作效率、使用方便等方面越来越显示出优越性，且具有体积小、重量轻、通用性强、可靠性高和操作简便等优点，已成为电气调速传动的主流，正越来越多地取代传统的直流电动机调速传动和超越目前也在发展的永磁无刷电动机调速传动，因而深受各行各业的欢迎，广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、轻工和建材等工业设备，表现了高效的驱动性能和良好的控制特性，尤其是显著节电，经济和社会效益十分显著。
变频器自动控制性能仍在进一步改善，为变频调速系统提供了良好的发展前景。
作为变频调速执行电机的异步电动机，在电气传动中广泛应用已有100多年历史，设计和工艺技术十分成熟，在各种类型的电动机中，结构最简单坚固、运行最可靠和单价最低廉，因而使用量最大。
已有通用的工频供电异步电动机，例如相当于国Y系列的中小型异步电动机和AO2系列的小功率异步电动机，可以直接作为通用变频器的执行电机，且事实上已使用于目前大部分的变频调速系统。
然而，用于变频调速的异步电动机由变频器供电，与电网直接供电不同。
其电动机端输入的电压、电流非正弦，其中的谐波分量对异步电动机的运行性能会产生显著影响，如电流增大，损耗增加，效率、功率因数降低，温升一般约提高10%～12%，还会出现转矩脉动、振动和噪声增大、绕组绝缘易老化等。
故变频调速异步电动机的设计与普通工频供电的异步电动机的设计存在相当的差别【3.1】。
尤其是通用异步电动机的传统结构未能配合目前逆变变频技术的发展，以取得更佳的效果。
例如，涤纶挤出轴变频驱动系统，若使用通用的异步电动机，系统效率将降低16%，电动机的体积将增大2个机座号和变频器配套功率需增大20%【3.1】。
又如，在90年代发展起来的空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术中，作为交流电动机原理基础的三相圆形旋转磁场概念已被空间矢量磁链圆所代替，采用该技术的变频调速系统，比传统系统可提高效率2%～3%和功率因数10%～20%，且显著降低振动与噪声【3.2】。
若采用通用异步电动机则难以显示该优点。
工业设备变频调速专用电动机应运而生。
例如，冶金等行业变频调速传动使用的高压大功率专用电动机均为特别设计制造；电梯和纺织机械的变频调速专用电动机目前已大批量定型生产使用，资料【3.1】指出：
“目前美国市场有近50%的调速电动机为变频调速电动机，其市场分额还有上升趋势”。
家用或类似小型电动设备为提高性能也已由传统的工频驱动逐步发展至变频驱动，但相对于工业设备变频调速有其特殊性，主要是其使用单相电源。
在洗衣机中建立单相的变频电源驱动以往的单相电容运转电动机的方法最简单，但电动机的状态随电源频率变化偏离对称运行点，影响效率和电磁振动噪声。
韩国三星电子该方法的专利申请【3.3】已撤回。
国外从90年代初开始，变频洗衣机、空调器和电冰箱以及工业缝纫机等推出市场，典型技术可见日本松下、日立、三洋和东芝等著名企业众多享有国外优先权的中国发明专利申请。
研究表明，这些技术的核心基本是工业设备已相当成熟和广泛使用的三相变频调速技术的移用，虽性能优良，且开发周期短，但用于小型电动器具显得成本过高而质量过剩。
例如：
——典型的逆变电路为桥式6单元，用于小功率单相器具供电，显得单元数偏多而单位元件额定容量利用不足。
复杂的电路也是系统的薄弱环节，通常需选用比较优秀的元件或设置较复杂的保护电路和控制程序，以至使用价格较高的智能功率模块（IPM）、16位单片机和高性能微处理器等；
——变频驱动系统宽广的调速围在多数小型器具中利用不足。
例如，空调器或电冰箱压缩机电动机的调速围达到3：
1已可满足需要；洗衣机由于频繁启动，对普通的洗涤方式以调速进行洗涤强度控制，与传统的通断比控制相比效果差不多，对低强度或精细洗涤过程需要适当调速，但调速围达到2：
1已可满足要求；它们对调速的准确性和稳定性要求也往往比工业设备的要求低；
——部分产品进一步使用了复杂且价高的永磁无刷电动机；对于洗衣机，甚至为一体化的直接驱动系统。
它们虽有更优异的性能，但远不如使用传统的异步电动机价廉和坚固，且需要投资全新的电动机及传动系统制造工艺装备。
在发达国家，企业由于拥有专利权，且成本增加导致的产品价格为其市场消费能力所接受，所使用基本技术多年未见调整，但变频家电已逐步普及。
目前，日本市场的洗衣机、电冰箱、空调器和工业缝纫机，变频产品分别占40%～80%，表明该技术结构调整已趋于完成。
检索表明，国外对工业设备的三相变频调速系统所使用的专用电动机已有比较充分的研究，但重点是大功率电动机；对高效变频调速专用小功率异步电动机的研发报道不多，且未见到有定型的系列产品，尤其是未检索到对非对称变频调速专用电动机的研发报道。
二、国相关产品与技术发展水平、现状
随着引进技术的吸收和设备利用，变频调速系统的应用自90年代开始在国呈现出强劲的上升势头。
机械工业部于1993年发布的JB/T7118-1993《小型变频变压调速电动机及电源技术条件》，主要是围绕一些小型工业设备的需要提出的要求，涉及变频调速专用异步电动机的容比较简单。
该标准最近按照JB/T8680.1-1998《Y2系列（IP54）三相异步电动机（机座号63-355）》修订为JB/T7118-2004《YVF2系列（IP54）变频调速专用三相异步电动机（机座号80-315）》，标准中电动机的功率等级、安装尺寸（总长除外）及其对应关系与Y2系列（IP54）三相异步电动机一致。
Y2系列（IP54）三相异步电动机即目前最普遍使用的中小型电动机。
同时还发布了JB/T10485-2004《变频调速专用三相异步电动机绝缘规》。
除YVF2系列变频调速专用三相异步电动机外，目前其它比较有批量的定型产品有：
YTVF系列电梯专用变频电动机，与变频器适配，达到良好的调速性能和显著的节能效果，主要适用于电梯等要求低频恒转矩、高频恒功率的各种传动机械，变频围一般为5～100Hz，功率为0.18～200kW，中心高为63～315mm；
YPNC系列变频主轴专用电动机，是专门为纺织等主轴驱动系统而设计的，配合变频器或主轴驱动器后达到较宽的调速围，且在最高转速保持恒功率和优良的控制特性；
YP系列变频调速专用电动机，按照各细分行业调速系统之实际需要，配合变频器之电源特性，有效抑制高频磁场谐波，配合精密的机械制造，使电磁和机械噪音得到有效控制。
关于变频调速专用异步电动机技术标准化的最新进展可见于国家标准GB/T20161-2006《变频器供电的笼型感应电动机应用导则》和2007年12月3日首次发布，将于2008年5月1日起实施，由全国旋转电机标准化技术委员会归口，上海电器科学研究所（集团）有限公司、华力电机集团有限公司等起草的国家标准GB/T21209-2007《变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则》。
作为以工程实现为主的本项目将比较主要地执行该二标准。
至于小功率电动器具，国从90年代末开始，变频洗衣机、空调器和电冰箱等家用电器和工业缝纫机等陆续推出市场，但比非变频产品价格高千元至1倍，明显偏离国消费水平，与其所改善的性能极不相称，销售增长缓慢。
研究表明，它们使用技术的核心多属国外专利，由于缺乏自有知识产权和不能有效降低成本以适应国市场，大多数停留于样品展示或偶尔生产，传统的工频驱动的产品仍在国市场占主导地位。
2000年，控股本企业的江门金羚集团有限公司开始探索适合国家电技术结构调整产业化的变频调速技术，思路是：
为克服传统的单相系统的弊病，针对家用电器功率小和调速的特殊性，研发核心技术具有自主知识产权的二相SVPWM变频调速系统应用于家用电器，在达到国外专利技术三相变频调速系统的实用性能指标的同时，减少逆变电力电子元件及驱动电路使用数量，以低成本提升传统产品的品质至国际先进水平。
江门金羚集团有限公司围绕二相变频调速系统于2000年12月递交了首件中国发明专利申请，至今共递交17件发明和9件实用新型专利申请，其中3件发明和7件实用新型已获专利权。
在这些专利或专利申请中，也包括专门关于二相变频调速系统所使用的电动机，见附录。
2004年7月，江门金羚集团有限公司技术中心申报的项目《二相交流变频调速技术研究及在家电产品上的应用》，经省经贸委组织专家论证，列入2004年省重点技术创新项目计划【3.4】。
2005年下半年起，该项目多个型号金羚牌经济型变频洗衣机陆续试制成功并投放市场和送国外展示。
但这些洗衣机中使用的电动机仍然是按照普通电磁设计，未考虑变频的特点，尤其是未考虑二相变频的不对称特点，因而在系统中的效率和振动噪声以及预期寿命未达到较佳的水平，为此要求本企业展开本项目，以实现与系统更好地配套。
2006年9月，华南智信微系统有限公司开始高效节能变频调速缝纫机研发，其后申报项目《异步电动机变频调速与伺服控制关键技术及装置》批准为市2007年科技计划项目【3.5】。
该项目注意到二相变频调速技术的优点，提出了应用二相变频调速技术及开发其专用电动机的要求。
本企业作为供应方为满足采购方研发对高效变频调速专用电动机的配套需要，在五邑大学黄险峰博士的配合下，于2007年展开本项目的实验对比和理论探讨等前期工作。
其中有已递交的发明专利申请《一种变频驱动系统及其电动机》（申请号：
2222222222）【3.6】和实用新型专利申请《一种变频驱动的缝纫机及其电动机》（申请号：
111111111111）【3.7】。
该二专利申请设计电动机的电磁非对称以克服二相变频电源的非对称，具有突出的创造性和国际先进性。
本项目技术与国外专利技术和传统技术对比如下：
指标
本项目技术
国外专利技术
传统技术
关键技术实现方式
自主开发
技术贸易
仿造
开发费用
中等
高
低
开发周期
3年
2年
1年
技术难度
高
一般
低
产品性能价格比
高
低（国市场难接受）
一般
市场前景
好
不好
一般
三、立项必要性
《2008年江门市重点科技攻关项目指南》中第18项为：
机械制造关键工艺与装备技术——包括高性能变频调速装置。
本项目按此立项展开攻关，其必要性包括：
1、实施国家的电机系统节能工程
中国已是世界第3能耗大国，现有各类电机系统总装机容量约4.2亿千瓦，用电量约占全国用电量的60%，但80%以上的电机产品效率比国外先进水平低2－5个百分点；电机传动调速及系统控制技术差距较大，产品效率比国外先进水平低（20～30）%，系统运行效率比国外先进水平低（10～20）%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时，节电潜力巨大。
在用电动机中，交流电动机约占90%，但只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的，即市场占有率不足4%。
若按电动机总容量的10%进行调速改造和年平均运行4000时及节电率20%～25%计算，年节电潜力为320亿～400亿千瓦时，再加上为改善工艺流程而进行调速改造的电动机带来的节电潜力，总节电潜力约为500亿千瓦时，相当于10000兆瓦装机容量的火力发电厂的年发电量。
可见，电机系统节能是目前中国节能市场上最具商业潜力的领域。
例如，中国的变频器市场在过去10年保持平均26.8%的高速增长，并预期至少10年后，该市场才饱和并趋于成熟，市场潜力约1200亿～1800亿元。
因而，变频调速及相关电机的研发项目一直受到国家的高度重视，例如：
——国家经贸委“十五”期间组织实施的100项资源节约与环境保护重大示工程（国经贸资源[2002]880号）中第12项为：
以高压大功率变频调速、低压中小功率变频调速和风机及水泵系统优化为主要容的电机调速技术；
——国家发改委与科技部等8部门2006年7月颁发的《“十一五”十大重点节能工程实施意见》（发改环资[2006]1457号）中第5项为电机系统节能工程，要求在“十一五”期间，实现电机系统运行效率提高2个百分点，形成年节电能力200亿千瓦时，主要容之一为推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术；
——国家发改委与科技部2007年1月颁发的《中国节能技术政策大纲（2006）》》（发改环资〔2007〕199号）中2.4.4款（发展、推广高效机电设备）提出发展、推广变频调速技术与装置……研究、发展节能高效电动机……生产动力用电动机和与变频器集成的变频电动机;5.4.1款（推广高效节能产品）提出研发、推广使用高效节能电冰箱、空调器、电视机、洗衣机、电脑等办公及家用电器技术；研究开发和推广变频等高效电机。
2、实施省政府关于产业结构调整的要求
在电动机总装机容量中，30%为使用量大面广的小功率电动机。
由于加入WTO以及世界制造业重心的转移，我国已成为世界小功率电机制造基地，小功率电机的产量占世界总量的60%以上。
但是，我国生产和出口的小功率电机中大多数为普通一般产品，其中也包括本企业的主导产品洗衣机电动机，附加值偏低，主要零部件使用大量钢材及有色金属。
因此，除提高效率节省运行能耗外，提高技术含量和降低材料耗用以提高经济效益，也已成为业界的重要课题。
对于小功率电动机，专用或派生系列电机和出口用高效电机，属于粤府办〔２００５〕１５号文印发的《省工业产业结构调整实施方案（修订版）》中改造提高产品目录机械类的第30和31项。
对其要求是，重点放在提高经济增长的质量和效益上，从附加值低的生产环节，向以加工组装环节为主的上游研发设计和下游营销品牌等环节延伸，提高科技含量和产品质量，降低资源消耗，进一步适应市场的要求，提高国际、国市场占有率。
省科技发展“十五”计划提出的重点任务之一是广泛运用高新技术改造传统产业。
其中，对于电器机械业是“应用计算机辅助设计、计算机辅助制造技术，提高设计生产加工能力，做到设计制造一体化。
用标准化零件发展多样化产品，实现多品种、少零件，低成本、高效益。
利用计算机技术、嵌入式软件改造机电产品，发展数字化、智能化产品，为信息技术改造传统产业做支撑。
建立电器机械产品制造协作网，用先进制造技术提升产品设计、加工、配套能力，在行业推广计算机柔性制造和计算机集成制造技术。
”
本项目将应用国际上21世纪推出的先进的机械系统仿真分析软件MSC.ADAMS和计算机模拟负载及辅助电磁设计技术，优化电动机的电磁结构、机械零件及加工工艺，显著提高效率和削弱振动噪声，降低电磁材料消耗和加工成本，使各项技术指标达到国际标准和国外先进标准，因而替代进口和实现出口日本及欧美，具有现实的强大市场需求和无可置疑继续扩大的市场前景。
本项目核心技术已拥有自有知识产权的中国实用新型专利2件、中国发明专利申请3件和中国实用新型专利申请1件，具有无可取代的竞争力。
本项目符合国家和地方的产业政策，其实施将显著提高本企业的经济效益，有力地促使本企业技术经济实力的升级，并最终跨入中、大型微型和特种电动机生产企业的行列，为国家和地方提供可观的新就业和税收增长点。
3、配合省、市级重点技术创新项目计划
按照《省工业产业结构调整实施方案》（粤府办（2001）74号）中对电气机械与专用设备制造业技术结构调整要求重点发展变频调速技术及其应用于改造提高类产品之一的家用电器的产业化的要求，控股本企业的江门金羚集团有限公司正在实施所承担的省重点技术创新项目计划《二相交流变频调速技术研究及在家电产品上的应用》。
该项目首先开发的变频洗衣机的性能已达到国外专利技术产品的水平，主要技术性能指标中的大多数达到国家标准GB4288-2003中被认为属于国际先进水平和现代家庭器具配备目标的A级档次，但成本大大降低，售价仅为国外同类产品的1/2～2/5。
由于该极佳的性价比对消费者的强大吸引力，在国正在形成变频洗衣机市场，并有良好的出口前景。
目前全国洗衣机的年销售量约1,500万台，预期全国变频洗衣机年需求量超过250万台。
金羚牌全自动洗衣机将会有近半数以变频产品推出，近期年销量可达20万台，销售额39,000万元，出口1,500万美元。
江门金羚集团有限公司长期的合作伙伴——华南智信微系统有限公司目前正在展开其承担的市2007年科技计划项目《异步电动机变频调速与伺服控制关键技术及装置》，该项目正在推出首个新产品——节能变频调速工业缝纫机主轴驱动系统。
中国作为世界第1的服装生产国，工业缝纫机的使用量巨大，每年生产工业用缝纫机在几百万台,主要机型有单针、双针平缝机、包缝机、套结机、钉扣机、锁眼机、曲折缝、绷缝机、封包机和绣花机。
目前除绣花机外,其它种类缝纫机仍属于机械类产品为主,远不能满足规模化发展的制衣业的要求。
传统的工业缝纫机,主轴驱动大多采用离合器电机,其它功能都靠机械配合或人工完成、自动化程度低效率低、体积大、调速围窄、位置控制难、功能单一，对其节能和提高性能的改造要求十分迫切。
80年代开始,国外开始研究工业缝纫机调速控制系统。
近十年来,日本重机、三菱和德国杜克普/阿德勒（DURKOOP/ALDER）等均已推出相应产品,实现了工业缝纫机的高性能调速控制,每年以12%的递增速度对原有的离合器电机调速系统进行改造。
我国的类似工业缝纫机还处于样机试制和小批量生产阶段。
目前制衣工业的规模化和工业缝纫机仍在快速发展,节能和高性能变频调速工业缝纫机主轴驱动系统预期年需求量超过百万套，具有广阔的市场前景。
上述项目所需变频电动机均为本企业配套，但目前是按照普通电磁设计，实施本项目可充分考虑变频的特点，尤其是考虑二相变频的不对称特点，预期效率提高3%，且在系统中的效率和振动噪声以及预期寿命将进一步的提高。
四、实施方案
1技术特点
配合省重点技术创新项目《二相交流变频调速技术研究及在家电产品上的应用》的创造，即其巧妙地利用洗衣机和缝纫机等电动器具功率小和调速的特殊性，对变频驱动系统主回路，把典型的国外专利技术相位差2π/3电角度的三相桥式6单元逆变驱动三相电动机，改变为相位差π/2或π/3电角度的二相半波4单元逆变驱动二相或三相电动机，因而减少逆变电力电子元件及驱动电路使用数量的1/3，但仍保持电动机的对称运行，可以与使用三相变频驱动系统具有同样优越的实用性能指标；为此继续使用传统的价廉而坚固的异步电动机的基本电磁结构，但进行本项目的二相SVPWM变频驱动异步电动机非对称电磁优化设计，以克服二相变频电源的非对称，降低谐波影响和提高效率。
其中SVPWM即以电压空间矢量脉宽调制，对电动机实施磁链轨迹驱动，是世界上近20年才兴起且至今仍是最先进的变频调速技术。
该技术充分利用变频驱动改善了传统单相异步电动机驱动系统的性能，提高洗衣机和缝纫机等小功率电动器具的品质至所需指标，但比国外专利技术大大降低了成本，且提高了可靠性。
该创新的核心技术详见本报告第二部分所述中国发明专利申请或实用新型专利。
2、关键技术
a）适合高品质小功率电动器具的高性价比变频调速系统电动机基本方案
深入研究省重点技术创新项目《二相交流变频调速技术研究及在家电产品上的应用》所确定的高品质洗衣机和市科技计划项目《异步电动机变频调速与伺服控制关键技术及装置》对变频调速工业缝纫机主轴驱动系统的实用性能要求和对驱动系统的要求，提出对其配套的小功率SVPWM变频调速电动机方案并实现仿真，研究其电磁结构及机械特性及对高品质洗衣机和缝纫机的适用性。
b）二相变频调速系统变频器和电动机涉及的谐波影响、电磁兼容、效率和可靠性的工程设计
主要是使二相变频调速系统克服三相变频调速系统所不存在的3次倍数谐波，以及驱动三相电动机时一定程度的电路输出不对称，以确保电磁兼容、效率和可靠性。
考虑设计为逆变器电动机一体化结构。
c）二相变频调速系统异步电动机的电磁基本设计和优化设计计算机程序。
主要是围绕关键技术b）与二相变频调速系统电脑控制器的配合设计。
为了提高设计效率，需要编制该电动机电磁优化设计计算机程序。
3、核心技术结构
变频二相驱动系统的电动机电磁结构适配如下a）、b）电路。
a）四元件变频二相异步电动机驱动系统原理框图
b）四元件变频三相异步电动机驱动系统原理框图
图中：
13为直流电源，包括单相交流电源11和整流滤波电路12；14为相位差π/2或π/3电角度的二相双半波SVPWM逆变电路,包括4组功率电子开关元件及其驱动电路；15为单片机控制器；以上组成二相或三相异步电动机7的驱动板。
异步电动机7为多极相分布绕组，连接二相电源的二个输出端子的二相阻抗相等，且大于连接所述公共端的一相的阻抗。
4、开发容
a）适合高品质小型电动器具的高性价比变频调速系统电动机基本电磁结构及仿真；
b）洗衣机和缝纫机专用二相变频驱动电动机的电磁优化设计计算机程序；
c）具体型号洗衣机和缝纫机专用二相变频驱动电动机设计、试制和生产。
5、开发方式
在江门金羚集团有限公司实际支持和华南智信微系统有限公司技术配合下，与协作单位——五邑大学联合开发。
五、进度与完成期限
1、各阶段需解决的主要任务
在前期研究阶段，建立二相SVPWM变频调速系统专用电动机的仿真模型，就解决其存在问题进行可行性研究，初定电磁设计基本方案。
在工程设计阶段，进行改善二相SVPWM变频调速系统专用电动机的谐波影响、电磁兼容、效率与可靠性的设计、实验和改进；完成二相变频调速系统专用电动机的电磁基本设计、实验和改进，编制该电动机电磁优化设计计算机程序。
在生产准备阶段，完成洗衣机和缝纫机专用二相SVPWM变频调速电动机的生产质量控制手段的配置。
2、项目实施进度
2008.1～2008.3收集国外资料，研究确定高品质洗衣机和缝纫机涉及电动机的实用性能要求，与合作方和采购方达成技术合作协议；
2008.4～2008.5方案制定与论证，任务分割
2008.6～2008.9仿真，结构及核心技术的验证
2008.10～2009.3编制电磁优化设计计算机程序和验证
2009.1～2009.6铁芯与绕组电磁优化设计，制成原型样机与技术改良
2009.7～2009.8制造具体型号的电动机样机
2009.9～2009.11性能测试，寿命试验
2009.12项目鉴定与验收
3、投产进度
项目计划建设期为2年。
投产第一年产销量达到10万台；第二年产销量达到16万台；第三年产销量达到20万台。
六、技术经济指标
1本项目电动机及其驱动的洗衣机或缝纫机与现有技术的对比分析
a）相同逆变器驱动下本项目电动机对比普通电动机，效率提高3%。
b）变频整机系统与现有技术洗衣机的对比分析【3.4】
主要性能指标
本项目技术
国外专利技术
传统技术
洗净比
＞0.9A级
0.7～0.8C级
用电量KWh/Kg
≤0.015A级
≤0.025D级
用水量L/Kg
≤25A级
≤36D级
噪声dB（A计权）
≤61A级
≤68C级
含水率％
≤60A级
≤95C级
无故障运行次
＞7000A级
＞4000B级
漂洗性能
优
一般
电磁制动功能
有
无
性能价格比
其中：
电动机传动系统及
驱动板参考价（元）
高
400
低（国市场难接受）
600（专利费未算）
一般
200
c）变频整机系统与现有技术缝纫机的对比分析【3.5】
主要性能指标
本项目技术
国外专利技术
传统技术
缝制可控速度
150～5000RPM
500～3000RPM
电机可控速度
100～3600RPM
1000～6000RPM
转速控制精度
±2％
±20％
升级会员 