对于某特定大小和重量的电机,在更高的频率下改进速度控制和能量输出方式是一种高要求，那么在速度控制系统中为获得更高的频率,采用脉冲宽度调制(PWM)技术而带来的高载波频率需求更是提出了新挑战。伴随着电力电子技术、电子器件传感器技术及电子器件信息技术的飞速发展，电机行业的未来将被开拓创新。本期内容将为大家主要介绍高频控制需求给电机效率、脉冲波形带来的影响以及各类测试方法。

电机是一种应用量大、使用范围广的高能耗动力设备。据统计，我国电机耗电约占工业用电总量的60%~70%。相较于标准的机电设备，节能机电设备的节能效果非常明显，通常可提高4%左右的效率，因此推行电机节能势在必行。所以随着高效节能电机成为行业首选，传统的感应电机面临着逐渐增长的节能压力。而一台电机之所以具有较高的效率，无非是因为采用新型的电机设计方法、新的工艺、新的材料以及良好的控制系统，降低电磁能、热能和机械能损耗，提高电机的输出效率。

同时,欧洲管理机构正在商讨制定严格的法律条款,取缔降低电机效率的做法。这些将会使得速度控制电机及新兴的高速电机发展成为可能。通常,由感应电机驱动的水泵和电扇采用机械油门调节的方式来减少输出。如图1.1所示，这是一种非常浪费的方式, 采用远高于电源频率的载波频率来驱动电机,通过在占空比下工作,载波从正规的直流电源处获得能量,形成预设频率下的波形。相比较而言，电机的速度控制是一种更好的选择。

这种低效的基于PWM控制的机械油门调节方法，以及大量采用交流电动机恒速传动方案运行的工业设备，导致电机效率普遍很低。而速度控制的方式将会带来巨大的好处。目前，我国在电力行业已逐渐采用变频调速控制技术，降低能量损耗，而工业控制如若能够采用最新的高效电机和变频调速装置，至少在现有基础上能够节省电能18%以上。

在变频调速的过程中，当电动机提供电源的频率变化时，电动机的阻抗随之不断变化，从而影响引起励磁电流的变化，使电动机开始出现励磁不足或励磁过强的情况。当励磁不足时，电机的输出转矩会降低，当励磁过强时，铁芯中的磁通会处于饱和状态，这会使大量励磁电流流经电机，增加电机的铁耗。

此外，快速地将电子器件从开切换到关非常有必要,过渡状态非常浪费,且对转换装置也会带来损害,降低系统效率。最终,产生的波形包含大量的快速边缘,对这些边缘开展傅里叶变换可发现一个宽的谐波光谱。这样，电机被当做谐波滤波器和平滑装置使用，升高的频率被加载到电机上,电机线圈的电抗阻止了电压变化的精确响应,在高于设计的基准频率下,电机铁芯中产生了许多微小的电流环路和涡流损耗，也就造成效率的二次降低。

随着交流电机理论、电力电子技术、微处理器等关键技术的发展，变频调速技术也随之应用到常用的交流异步电机中，也就进入各种家电设备。变频器是一种可以利用半导体器件的通断作用，将工频交流电换成频率、电压进行连续可调的交流电的电能质量控制工作装置。变频器的种类丰富，可分为：

那么，在定子极对数P恒定、转差率s变化不大的情况下，可以认为当电机定子电源的频率f调整时，电机转速n与频率f近似成正比。通过变频器以及其他电力设备便可以达到调节电机速率的目的。

脉冲控制技术随着科学技术的发展不断优化和完善，在电力行业的应用中能够实现对电机驱动的数字化控制，并且能够有效提升电机驱动的控制水平，提升运行效率。但其产生的脉冲波形仍存在着一些负面影响：

(1)通过对电机边缘进行傅里叶分析发现其边缘具有较强的谐波效应。这将在电机铁芯中产生强的涡流,增加铁芯损耗。遗憾的是，尽管系统效率得到提升具有非常大的诱惑力，但忽略了通过改善对泵和风扇控制的这种方式带来的电机效率降低。当大电机使用高电压电源时,例如几千伏,逆变器中的半导体必须在链条中采用共享电压的方式。通过对电容的精确使用,将分散的信息连接起来,设备的近似算法产生准确的序列,设备可以通过这些措施来输出良好的正弦波。然后，由于这会导致成本增加，因此这些措施目前只在小型电机上得到了应用。

(2)对电源存在谐波污染。这会降低供电设备的寿命，增加输、供和用电设备的额外附加损耗，并且会使得分布式变压器中的铁损增加, 使得设备的温度过高。这需要通过估值下调的方式来进行处理(铜导线中的铁损也会同步增加)。

很明显,通过正弦波测试无法获得在脉冲条件下全部材料性能,因而对于材料的选择变得非常困难。由于每个电机的运转工况不同,一些测试要求必须考虑脉冲响应，因而需要加载大量的波形和频率开展测试。但为了减少测试环节，会选择一个任意的波形,然后将波形依附于像是定义了上升和下降时间的方波电压,虽然结果不能代表每一种工况,但能提供比正弦波更好的指导作用。这导致留下了很多未经调试的非正式的测试系统,这些系统在后续很难被标准化。

在过去的一百年里,软磁材料作为变压器、电机、发电机等产品的铁芯材料,所采用的磁通波形,尽管不完全是正弦的,但已经非常接近正弦,并被作为商业测试的参考条件。这类测试主要为了方便在购买和销售时对产品进行分类,而不是为了获得最准确的曲线。为了满足更精细的测试条件的系统,可以采用负反馈放大器来获取正弦条件要求下的波形。

人们通过施加正弦波,测试高频下的铁损和磁导率,这是长期以来表示钢材工频特性的方法。但如果想用该方法测试钢材在高谐波量和高频条件下的使用，但如果想用该方法测试钢在高谐波量和高频条件下使用,是极其不切实际的。也许可以通过施加方波或加载电压的方式，在1kHz,2kHz以及3kHz的工况下能够得到较好的应用。如果在工业界各个不同部分大量的测试系统被建立起来之前,在测试标准上能达成一致将是一件非常有意义的事情,当然,这需要在后期开展艰难的合理化工作(见图4.1)。

在设备朝着更高的频率以及更高的谐波分量的趋势发展同时，给传统的实体钢带来了巨大的挑战。为应对这些挑战,电工钢的厚度更薄,表面将会更加光滑,从而使得叠片系数最大化。由于高频带来了相当高的层间电压，因此厚度非常薄且有效的绝缘涂层将被得到应用。同时为了保证在高磁场作用下较高的磁导率，通过选择合适的合金含量可以增加电阻率。

电工钢材料在冶金方面的挑战主要在于优化晶粒大小和最终的材料织构。尽管替代铁芯的材料逐渐出现,但电工钢的优势使其在未来的铁芯市场仍会最受关注。