變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題探討

1 引言

　　變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代后半期開(kāi)始, 電力電子器件從SCR（晶閘管）、GTO（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM-VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)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(jì)80年代后半期開(kāi)始, 美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用。

　　2 變頻調(diào)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(diào)頻范圍受到限制，應(yīng)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(guò)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(xiàng)損耗是隨著變頻器的容量、負(fù)荷、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而變化的，而控制回路損耗不隨變頻器容量、負(fù)荷而變化。變頻器采用大功率自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件等現(xiàn)代電力電子技術(shù)，其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術(shù)中整流損耗力量小，根據(jù)文獻(xiàn)[1>提供資料，變頻器在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，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(diào)速后電動(dòng)機(jī)效率的變化

　　變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)的各種損耗和效率均有所變化，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，電動(dòng)機(jī)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(fēng)阻損耗、定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。

　　鐵芯中的磁滯損耗表達(dá)式為:

　　說(shuō)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(duì)于一般硅鋼片，當(dāng)Bm=0.8～1.6W/m2時(shí)，α=2。

　　由風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)理論，其流量Q與所需電動(dòng)機(jī)軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為: Q∝n; P∝n3; P∝Q3

　　變頻調(diào)速后，磁滯損耗減少速度比電動(dòng)機(jī)有功減少，速度慢，損耗所占比例有所提高。

　　渦流損耗表達(dá)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(fēng)阻損耗: Pf∝f3

　　定子繞組銅耗和轉(zhuǎn)子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒(méi)有直接關(guān)系，但高次諧波及脈動(dòng)電流增加了電動(dòng)機(jī)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(chǎn)生現(xiàn)諧波，這些附加的高次諧波，許多諧波的轉(zhuǎn)矩方向是與基波轉(zhuǎn)矩方向相反的，另外高次諧波也會(huì)增加渦流損耗。綜上所述，變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)的磁滯損耗、渦流損耗、軸承摩擦損耗、定轉(zhuǎn)子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加，有關(guān)文獻(xiàn)指出，變頻調(diào)速后電動(dòng)機(jī)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(guān)鍵所在。目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國(guó)產(chǎn)的共約50多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，其實(shí)只要按負(fù)載的特性，滿(mǎn)足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。附表中參數(shù)供選用時(shí)參考。

　　4 轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問(wèn)題

　　基于調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)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(shù)的變頻器（直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器）。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技術(shù)的變頻器，它能夠用開(kāi)環(huán)方式對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而且動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于PWM閉環(huán)控制指標(biāo)。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制它以測(cè)量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入。該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值的比較，給出其最佳開(kāi)關(guān)位置。由此可以看出它是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的測(cè)量，即刻調(diào)整逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達(dá)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(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速（最高、最低）和轉(zhuǎn)矩（起動(dòng)、連續(xù)及過(guò)載）的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率（即電機(jī)的額定功率最小值）。

　　P=n . T/9950（kW）

　　式中: P—機(jī)械要求的輸入功率（kW）

　　n—機(jī)械轉(zhuǎn)速（r/min）

　　T—機(jī)械的最大轉(zhuǎn)矩（N.m）

　　然后，選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個(gè)調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費(fèi)，可允許電機(jī)短時(shí)超出同步速度，但必須小于電機(jī)允許的最大速度。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行、過(guò)載或最高速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機(jī)的功率和額定電流確定變頻器的參數(shù)與型號(hào)。

　　應(yīng)注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對(duì)一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)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(hào)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(gè)方面。其總的原則是首先保證可靠地實(shí)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(lèi)型:普通功能型u/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器（也稱(chēng)無(wú)跳閘變頻器）和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類(lèi)型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等平方轉(zhuǎn)矩（TL∝n2），低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類(lèi)負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速要求的機(jī)械采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能變頻器則是比較理想的。因?yàn)檫@種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機(jī)械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊，具有挖土機(jī)特性。日本富士公司的FRENIC5000G11/P11、三肯公司的SAMCO-L系列屬于此類(lèi)。也有采用普通型變頻器的例子。為了實(shí)現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大變頻器容量的辦法。對(duì)于要求精度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快的生產(chǎn)機(jī)械（如造紙機(jī)械、軋鋼機(jī)等），應(yīng)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(mén)子公司的6SE7系列變頻器屬于此類(lèi)。

　　大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述:額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過(guò)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(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)額定電流要大于普通鼠籠異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多數(shù)是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保持在無(wú)故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過(guò)變頻器的額定電流。

　　變頻器供給電動(dòng)機(jī)的是脈動(dòng)電流，電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動(dòng)機(jī)電流或功率大一個(gè)等級(jí)，一般為:

　　Pnv≥1.1Pn

　　式中; PNV—變頻器額定功率，kW;

　　PN—電動(dòng)機(jī)額定功率，kW

　　5 變頻調(diào)速設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

　　5.1 負(fù)荷匹配問(wèn)題

　　機(jī)泵負(fù)荷最大節(jié)能是選用型號(hào)、容量與實(shí)際負(fù)荷相匹配，其中包括機(jī)泵與所配電動(dòng)機(jī)的匹配，要避免“大馬拉小車(chē)”，一般設(shè)計(jì)裕量應(yīng)控制在10%以?xún)?nèi)。我國(guó)的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)&search=1