變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題分析

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(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，給出其最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是通過對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的測(cè)量，即刻調(diào)整逆變電路的開關(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(fù)載的要求進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩(TL∝n2)，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通常可選擇普通功能型的變頻器。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類負(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。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(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)保持在無故障狀態(tài)下負(fù)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(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)注意的問題

5.1 負(fù)荷匹配問題

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”，一般設(shè)計(jì)裕量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。我國的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，往往存在向上靠檔，層層加碼，寧大勿小的現(xiàn)象，可以說，從工藝上提出流量時(shí)加系數(shù)，選機(jī)泵時(shí)再加系數(shù)，電動(dòng)機(jī)選擇還加系數(shù)，以致部分工業(yè)系統(tǒng)的機(jī)泵實(shí)際運(yùn)行效率極低。如果在設(shè)計(jì)機(jī)泵負(fù)荷時(shí)加變頻調(diào)速，以達(dá)到節(jié)能的目的，實(shí)際是增加了變頻器，名義上是增加了新的能源損耗和增加了投資。現(xiàn)在不少對(duì)變頻調(diào)速的節(jié)能效益分析往往忽略了變頻器的效率等，這種簡單的理論計(jì)算，其效果是失真的。
在工業(yè)生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)負(fù)荷變化，生產(chǎn)季節(jié)變化等，機(jī)泵負(fù)荷也不是恒定不變的，有時(shí)變化范圍還是很大的，有些發(fā)電廠由于調(diào)峰需要，晝夜負(fù)荷變化也較大，而且機(jī)泵負(fù)荷在使用一年后，輸出流量將比額定流量有所下降。對(duì)流量變化較大的機(jī)泵負(fù)荷采用變頻調(diào)速效果是顯而易見的，而且負(fù)荷變化范圍越大，節(jié)能效果越好。

5.2 高次諧波

變頻器產(chǎn)生的高次諧波，會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變，而且是電網(wǎng)有效容量越小，變頻器容量越大，這種影響越嚴(yán)重。這種對(duì)電網(wǎng)的污染，會(huì)使電力電容、電抗器、變壓器容易發(fā)熱，并產(chǎn)生電磁諧振，電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗，繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作等。各國對(duì)電壓畸變和諧波控制都有相應(yīng)的規(guī)定，我國GB12668-90中規(guī)定，電壓畸變率小于10%，任何奇次諧波均不超過5%，任何偶次諧波均不超過2%。使用變頻器后，在電網(wǎng)局部會(huì)超過國標(biāo)，所以一定要采取相應(yīng)的措施。

5.3 電動(dòng)機(jī)選擇

由于變頻的載波頻率較高，電動(dòng)機(jī)繞組要承受較高的沖擊電壓。另外電動(dòng)機(jī)效率下降，轉(zhuǎn)速下降后產(chǎn)生的冷卻效果降低，這些都是應(yīng)該注意的。所以變頻調(diào)速后，包括變頻器和電動(dòng)機(jī)損壞情況較多。如條件允許，可采用YTSP和YSG系列變頻調(diào)速專用電動(dòng)機(jī)。
由通用變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，采用PWM變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，定子電流中不可避免的含有高次諧波，電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)和效率將會(huì)更低，負(fù)載運(yùn)行時(shí)的鐵損也會(huì)有所增加。額定負(fù)載下電動(dòng)機(jī)的電流增加約8%，溫升增高20%左右，這對(duì)于長時(shí)間工作在滿載或接近滿載狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)而言是不可忽視的問題，故應(yīng)適當(dāng)加大電動(dòng)機(jī)容量，以防溫升過高，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。
通用的標(biāo)準(zhǔn)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力是按額定轉(zhuǎn)速下且進(jìn)行自扇風(fēng)冷考慮的，當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)，其發(fā)熱不變但低速下的散熱能力變差了，可采用另加恒速冷卻風(fēng)扇的辦法或采用較高絕緣等級(jí)的電動(dòng)機(jī)。

5.4 變頻器的外部配置及應(yīng)注意的問題