交流電機(jī)變頻調(diào)速器的應(yīng)用分析

孫愛(ài)芳

【摘 要】對(duì)變頻調(diào)速器在實(shí)踐應(yīng)用中容量的正確選擇、傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及外接制動(dòng)電阻等方面的問(wèn)題，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】容量選擇；傳動(dòng)系統(tǒng)；最高頻率；傳動(dòng)比；制動(dòng)電阻

隨著電力技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)步，進(jìn)入了普及應(yīng)用階段。在我國(guó)，變頻調(diào)速器也正越來(lái)越廣泛地被采用，與此同是地，如何正確地選好、用好已成為廣大用戶十分突出的問(wèn)題了。

1.關(guān)于容量選擇

在變頻調(diào)速器的說(shuō)明書中，為了幫助用戶選擇容量，都有"配用電動(dòng)機(jī)容量"一欄，然而，這一欄的含義卻不夠確切，常導(dǎo)致變頻器的誤選。

各種生產(chǎn)機(jī)械中，電動(dòng)機(jī)的容量主是根據(jù)發(fā)熱原則來(lái)選定的。就是說(shuō)，在電動(dòng)機(jī)帶得動(dòng)的前提下，只要其溫升在允許范圍內(nèi)，短時(shí)間的過(guò)載是允許的。電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力一般定為額定轉(zhuǎn)矩的1.8-2.2倍。電動(dòng)機(jī)的溫升，所謂"短時(shí)間"至少也在十幾分鐘以上。而變頻調(diào)速器的過(guò)載能力為：150%，l分鐘。這個(gè)指標(biāo)，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，只有在起動(dòng)過(guò)程才有意義，在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際上是不允許載。

因此，"配用電動(dòng)機(jī)容量"一欄的準(zhǔn)確含義是"配用電動(dòng)機(jī)的實(shí)際最大容量"。實(shí)際選擇變頻器時(shí)，可按電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中的最大電流來(lái)進(jìn)行選擇，對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，因?qū)儆陂L(zhǎng)期恒定負(fù)載，可直接按"配用電動(dòng)機(jī)容量"來(lái)選擇。

2.傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

交流異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)變頻調(diào)速后，其有效轉(zhuǎn)矩和有效功率的范圍。配用變頻調(diào)速器時(shí)，必須根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性以及對(duì)調(diào)速范圍的要求等因素，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)級(jí)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和大致方法如下：

2.1確定電動(dòng)機(jī)的最高運(yùn)行頻率

（1）鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，這類負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的平方成正比TL=KTn2，輸出功率PL與轉(zhuǎn)速的在次方成正比PL=KPn3，（KT和KP為常數(shù)），由此可知，如轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和功率將分別按平方律和立方律增加，因此，在一般情況下，不允許在額定頻率以上運(yùn)行。

（2）一般情況下，各種機(jī)械的強(qiáng)度、振動(dòng)以及耐磨性能等，都是以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)3000r/min為前提設(shè)計(jì)的。因此，在沒(méi)有對(duì)機(jī)械重新進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況下，2級(jí)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率不要超過(guò)額定頻率太多。

（3）當(dāng)異步電機(jī)在額定頻率以上運(yùn)行時(shí)，由于電源電壓是恒定的，其在調(diào)到fx時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Tx近乎和頻率調(diào)節(jié)比Kf的平方成反比，即T≈TN/Kf2（而TN為額定頻率fN時(shí)的轉(zhuǎn)矩）。因此，最高運(yùn)行頻率不宜超過(guò)額定頻率。

（4）異步電機(jī)在低頻下運(yùn)行時(shí)，為了獲得足夠的轉(zhuǎn)矩，常需進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。而轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償將使電機(jī)的磁路趨于飽和，從而增加附加損失，降低了效率，因此，只要情況許可，應(yīng)尺可能地提高運(yùn)行頻率的上限。

2.2確定傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比并校核電動(dòng)機(jī)的容量

（1）鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，一般均為直接驅(qū)動(dòng)，不必考慮傳動(dòng)比的問(wèn)題。

（2）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，首先，根據(jù)有效轉(zhuǎn)矩線以及所要求的頻率調(diào)節(jié)范圍，確定電機(jī)運(yùn)行的最高頻率和最低頻率。

假設(shè)已經(jīng)確定的電動(dòng)機(jī)最高運(yùn)行頻率為fmax最低運(yùn)行頻率為fmin與此對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩相對(duì)值為tTL，則電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tn=TL/qTL（TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩）。如果原選電機(jī)并未留有余量的話，則配用變頻調(diào)速器后，電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)擴(kuò)大1/tTL倍。傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比入等于電動(dòng)機(jī)在最高運(yùn)行頻率下的轉(zhuǎn)速nDmax負(fù)載所需求的最高轉(zhuǎn)速nLmax之比。

（3）恒功率負(fù)載：和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載類似，首先根據(jù)有效功率線和頻率調(diào)節(jié)范圍，求出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率的上、下限。

同樣，在求出最高和最低運(yùn)行頻率的同時(shí)，得到對(duì)應(yīng)的功率相對(duì)值tPL，而電動(dòng)機(jī)的額定功率PN≥PL/tPL（PL為負(fù)載要求功率）。

在設(shè)計(jì)恒功率負(fù)載時(shí)，應(yīng)注意兩點(diǎn)：（1）盡量多利用額定頻率以上的部分；（2）當(dāng)調(diào)整范圍較大時(shí)，盡量采用兩檔傳動(dòng)比。因?yàn)楫?dāng)傳動(dòng)比分成兩欄時(shí)，頻率范圍αf與αn轉(zhuǎn)速范圍之間的關(guān)系為 。可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)速范圍相同的情況下，頻率范圍將大為減小，從而可減小電動(dòng)機(jī)的容量。

負(fù)載的機(jī)械特性，因是恒功率負(fù)載，故曲線上任一點(diǎn)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的乘積均相等，且與負(fù)載功率成正比，即PL=KPTLnL=KPTLmaxLmin。全部轉(zhuǎn)速都在額定頻率以下調(diào)節(jié)時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩線，在這種情況下，所需電動(dòng)機(jī)的容量PN=KPTNnLmax>KPTLmaxLmax=αnPL。這說(shuō)明，所需電動(dòng)機(jī)的容量比負(fù)載功率的On倍還要大，是很不經(jīng)濟(jì)的。

（1）當(dāng)最高運(yùn)行頻率為額定頻率的2倍，傳動(dòng)比只有一檔時(shí)的情形。在這種情況下，所需電機(jī)的容量PN=KPTN1/2nLmax 1/2αnPL。可見(jiàn)，所需用容量只要大于負(fù)載功率的On/2倍就可以了。

（2）當(dāng)最高運(yùn)行頻率為額定頻率的2倍，傳動(dòng)比為兩檔時(shí)的情形。這時(shí)，所需電機(jī)的容量PN1/2 PL。可見(jiàn)，對(duì)于恒功率負(fù)載，當(dāng)αn>4時(shí)，這種方案是比較理想的。

3.自配外接制動(dòng)電阻

各種變頻調(diào)速器都允許外接制動(dòng)電阻，加快制動(dòng)速度，外接電阻。但配套的制動(dòng)電阻價(jià)格昂貴，不易買到，自動(dòng)配置時(shí)，其阻值與功率可如下決定：

直流電路的電壓值UP=×380=53V；制動(dòng)電流Is一般以不超過(guò)電機(jī)的額定電流IDN為原則，即Is≤IDN，故制動(dòng)電阻Rs≥UD/Is。

因Rs內(nèi)通過(guò)電流的時(shí)間只有幾秒鐘，故其功率PR可按工其工作時(shí)的（1/10-1/8）選擇，即PR=（0.1-0.125）UD2/Rs。

因Rs接入電路時(shí)，應(yīng)注意將變頻調(diào)速器內(nèi)部的制動(dòng)電阻切除，如不能切除，則應(yīng)適當(dāng)加大Rs的值，以免出現(xiàn)制動(dòng)電流過(guò)大的情形。

在外接制動(dòng)電路時(shí)，為了避免燒毀變頻器內(nèi)部的放電用大功率晶體管（GTR）有時(shí)也可以外接整個(gè)制動(dòng)電器（即包括制動(dòng)電阻和放電晶體管，這時(shí)，GTR應(yīng)選取其VCEX≥700伏；ICN≥（1.2-1.5）IDN安。

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