變頻調速系統(tǒng)設計中的問題探討

1 引言

　　變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀60年代后半期開始, 電力電子器件從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制品閘管）發(fā)展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的更新促使電力變換技術的不斷發(fā)展。20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻（PWM-VVVF）調速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣, 并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代后半期開始, 美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應用。

　　2 變頻調速系統(tǒng)的效率分析

　　2.1 變頻器的效率與損耗

　　變頻器效率是指其本身變換效率。就變頻器的兩種形式而言。交-交變頻器盡管效率較高，但調頻范圍受到限制，應用受到限制，目前通用的變頻器主要是交-直-交型，其工作原理是先把工頻交流電通過整流器變換成直流，然后用逆變器再變換成所需頻率的交流電。所以變頻器的損耗有三部分組成，整流損耗約占40%，逆變損耗約占50%，控制回路損耗占10%。其前兩項損耗是隨著變頻器的容量、負荷、拓撲結構的不同而變化的，而控制回路損耗不隨變頻器容量、負荷而變化。變頻器采用大功率自關斷開關器件等現(xiàn)代電力電子技術，其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術中整流損耗力量小，根據(jù)文獻[1>提供資料，變頻器在額定狀態(tài)運行時，其效率為8*%～96%，隨著變頻器功率增大而得以提高。

　　2.2 變頻調速后電動機效率的變化

　　變頻調速后，電動機的各種損耗和效率均有所變化，根據(jù)電機學理論，電動機的損耗可分為鐵芯損耗（包括磁滯損耗和渦流損耗）、軸承摩擦損耗、風阻損耗、定子繞組銅耗、轉子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。

　　鐵芯中的磁滯損耗表達式為:

　　說明磁滯損耗Pn與磁通的交變頻率f成正比，與磁通密度的幅值Bm的α次方成正比，α對于一般硅鋼片，當Bm=0.8～1.6W/m2時，α=2。

　　由風機和泵類理論，其流量Q與所需電動機軸功率P與轉速n的關系為: Q∝n; P∝n3; P∝Q3

　　變頻調速后，磁滯損耗減少速度比電動機有功減少，速度慢，損耗所占比例有所提高。

　　渦流損耗表達式為: Pe∝af2;

　　式中a=（Bm）2d2/rw; Bm磁通密度的幅值Bm; d鐵心厚度; rw渦流回路等效電阻。

　　軸承摩擦損耗: Pz∝f1.5

　　風阻損耗: Pf∝f3

　　定子繞組銅耗和轉子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒有直接關系，但高次諧波及脈動電流增加了電動機的銅耗。

　　雜散損耗及附加損耗:不論何種形式的變頻器，變頻后除基波外，都產生現(xiàn)諧波，這些附加的高次諧波，許多諧波的轉矩方向是與基波轉矩方向相反的，另外高次諧波也會增加渦流損耗。綜上所述，變頻調速后，電動機的磁滯損耗、渦流損耗、軸承摩擦損耗、定轉子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加，有關文獻指出，變頻調速后電動機電流增加10%，溫升增加20%。

　　3 變頻器控制方式的合理選用

　　控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產的共約50多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。附表中參數(shù)供選用時參考。

　　4 轉矩控制型變頻器的選型及相關問題

　　基于調速方便、節(jié)能、運行可靠的優(yōu)點，變頻調速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調速、電磁調速和調壓調速方式。在推出PWM磁通矢量控制的變頻器數(shù)年后，1998年末又出現(xiàn)采用DTC控制技術的變頻器（直接轉矩控制變頻器）。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技術的變頻器，它能夠用開環(huán)方式對轉速和轉矩進行準確控制，而且動態(tài)和靜態(tài)指標已優(yōu)于PWM閉環(huán)控制指標。

　　直接轉矩控制它以測量電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入。該模型每隔25μs產生一組精確的轉矩和磁通實際值，轉矩比較器和磁通比較器將轉矩和磁通的實際值與轉矩和磁通的給定值的比較，給出其最佳開關位置。由此可以看出它是通過對轉矩和磁通的測量，即刻調整逆變電路的開關狀態(tài)，進而調整電機的轉矩和磁通，以達到精確控制的目的。

　　4.1 選型原則

　　在選型前，首先要根據(jù)機械對轉速（最高、最低）和轉矩（起動、連續(xù)及過載）的要求，確定機械要求的最大輸入功率（即電機的額定功率最小值）。

　　P=n . T/9950（kW）

　　式中: P—機械要求的輸入功率（kW）

　　n—機械轉速（r/min）

　　T—機械的最大轉矩（N.m）

　　然后，選擇電機的極數(shù)和額定功率。電機的極數(shù)決定了同步轉速，要求電機的同步轉速盡可能地覆蓋整個調速范圍，使連續(xù)負載容量高一些。為了充分利用設備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步速度，但必須小于電機允許的最大速度。轉矩取設備在起動、連續(xù)運行、過載或最高速等狀態(tài)下的最大轉矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流確定變頻器的參數(shù)與型號。

　　應注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40℃或25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，在根據(jù)變頻器參數(shù)確定型號前要考慮由此造成的降容因素。

　　4.2 變頻器容量的選擇

　　通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現(xiàn)工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。

　　根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器（也稱無跳閘變頻器）和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉矩（TL∝n2），低速下負載轉矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。對于恒轉矩類負載或有較高靜態(tài)轉速要求的機械采用具有轉矩控制功能的高性能變頻器則是比較理想的。因為這種變頻器低速轉矩大，靜態(tài)機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性。日本富士公司的FRENIC5000G11/P11、三肯公司的SAMCO-L系列屬于此類。也有采用普通型變頻器的例子。為了實現(xiàn)大調速比的恒轉矩調速，常采用加大變頻器容量的辦法。對于要求精度高、動態(tài)性能好、響應快的生產機械（如造紙機械、軋鋼機等），應采用矢量控制高功能型通用變頻器。安川公司的VS-616G5系列、西門子公司的6SE7系列變頻器屬于此類。

　　大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉子電動機額定電流要大于普通鼠籠異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多數(shù)是多電動機傳動。應保持在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。

　　變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率大一個等級，一般為:

　　Pnv≥1.1Pn

　　式中; PNV—變頻器額定功率，kW;

　　PN—電動機額定功率，kW

　　5 變頻調速設計中應注意的問題

　　5.1 負荷匹配問題

　　機泵負荷最大節(jié)能是選用型號、容量與實際負荷相匹配，其中包括機泵與所配電動機的匹配，要避免“大馬拉小車”，一般設計裕量應控制在10%以內。我國的工業(yè)系統(tǒng)設計&search=1