變頻調(diào)速器的應(yīng)用及選型

馬 鋼

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

變頻調(diào)速器的應(yīng)用及選型

馬 鋼

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

列舉了變頻器應(yīng)用的優(yōu)勢及必要性，著重分析了應(yīng)用變頻器對電網(wǎng)質(zhì)量帶來的問題及其解決措施，并從電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)兩方面分析了變頻電動機與普通電動機的區(qū)別，闡述了變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中選用變頻電動機的必要性及選型方式，以供參考。

變頻調(diào)速，諧波，變頻控制

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，變頻調(diào)速器在速度控制和節(jié)能方面的作用越來越大。應(yīng)用變頻調(diào)速不但可以大大提高電動機的控制精度，嚴格按照負載的特性曲線運行，同時在節(jié)能節(jié)電方面的效益也非常顯著。在變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中，電動機、變頻器、變頻器附件電抗器及濾波器、變頻電纜的選擇較為重要，對調(diào)速系統(tǒng)的安全運行和投資成本都有影響。通常在工藝設(shè)計中，考慮到設(shè)計要求的最大輸出功率，電動機的設(shè)計容量比實際需要高出很多，工作效率低，長期連續(xù)運行造成電能的極大浪費。因此采用變頻調(diào)速器對于節(jié)約用電效果顯著。

但是變頻器在工作中不斷地整流和變頻，給電網(wǎng)帶來的最大影響就是諧波干擾。諧波干擾會使電動機的效率降低，發(fā)熱增加；變壓器等設(shè)備由于諧波電流的增大而增加磁滯損耗和渦流損耗，絕緣介質(zhì)老化加速；電容器容易吸收諧波電流而引起過載發(fā)熱，諧波過大易導(dǎo)致絕緣擊穿；諧波較高還容易引起繼電保護的誤動或拒動，使電力系統(tǒng)可靠性降低；諧波對通信線路和電子設(shè)備的工作最容易產(chǎn)生干擾?？梢娮冾l器在給生產(chǎn)帶來便利和效益的同時，也會帶來不少的煩惱，所以在實際應(yīng)用時還應(yīng)了解變頻器的特性，采取相應(yīng)措施，盡量減小變頻器的負面影響。

下面就供熱裝置的特點，闡述變頻器在變頻系統(tǒng)中的選擇。

1 變頻器輸出的變頻電源對電動機的影響

變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器輸出的電壓、頻率隨負荷的變化而變化，變頻器的輸出對電動機的影響主要有以下幾個方面：

1)電動機升溫的問題。

正常運行中的變頻器，會產(chǎn)生一小部分的諧波電流，但并不影響電動機的運行，其電流波形近似于正弦。變頻器的低次諧波可以有效抑制，高次諧波含量較小卻無法消除。高次諧波會增加電動機繞組中的銅耗、鐵耗及附加損耗，特別是轉(zhuǎn)子銅耗。

低頻運行時變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機的轉(zhuǎn)速很低，電源中高次諧波會增大損耗，但電動機的冷卻風(fēng)量隨轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動機的低速冷卻狀態(tài)變得很差，溫升增加。

綜上所述電動機額外發(fā)熱，溫度增高，效率降低，電動機壽命減小。如將普通三相異步電動機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加5 ℃～10 ℃。

2)電動機絕緣強度問題。

變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，會對電動機定子繞組絕緣構(gòu)成威脅，瞬間高壓的反復(fù)沖擊會加速繞組絕緣的老化，嚴重的會引起繞組匝間短路，燒毀電動機。

3)諧波引起的電磁噪聲與振動問題。

變頻器供電時，電磁、機械、通風(fēng)等因素引起的振動和噪聲變得更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。由于變頻調(diào)速系統(tǒng)電動機工作頻率范圍較大，轉(zhuǎn)速變化范圍也大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各構(gòu)件的固有振動頻率。當(dāng)電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振，從而加大噪聲。

2 變頻電動機與普通電動機的區(qū)別

1)電磁設(shè)計方面。

工況下的變頻電動機，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，因此起動性能不需過多考慮。關(guān)鍵是非正弦波電流對電動機的影響，電磁設(shè)計時注意從以下幾個方面采取措施：

a.盡量減小定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻，減小定子電阻可以降低基波銅耗，彌補高次諧波引起的銅耗。

b.抑制電流中的高次諧波，需適當(dāng)增大電動機定子和轉(zhuǎn)子繞組的電感。

c.變頻電動機設(shè)計時電磁負荷設(shè)計余量大，主磁路設(shè)計一般為不飽和狀態(tài)，首先考慮高次諧波會對深磁路飽和；其次考慮低頻時，適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓來提高輸出轉(zhuǎn)矩。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。

結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要從以下方面考慮非正弦電源對變頻電動機的絕緣、振動、噪聲、冷卻方式等方面的影響：

a.絕緣結(jié)構(gòu)加強，電動機繞組絕緣等級一般為F級絕緣，對地絕緣和匝間絕緣強度的加強，以提高承受高頻電壓的水平。

b.對電動機的振動、噪聲問題要充分考慮電動機構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振。

c.電動機需經(jīng)常在低速狀態(tài)下運行時，冷卻方式一般為強迫通風(fēng)，即采用獨立的電動機驅(qū)動主電機散熱風(fēng)扇。

d.防止軸電流措施，對容量超過160 kW電動機(一般為10 kV)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是因為易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞。

e.恒功率調(diào)速時(頻率向50 Hz以上調(diào)整)，電動機轉(zhuǎn)速可能會很高，這由變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍確定。一般電動機的臨界轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，而恒功率調(diào)速電動機的臨界轉(zhuǎn)速可能很高，所以設(shè)計時對轉(zhuǎn)子、軸及軸承的機械強度要有高要求。

從以上分析可得出，變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)盡量選擇變頻電動機。若選擇普通電動機，從原理上說可用，但電動機的溫升增大，效率降低，最終會大大降低電動機的使用壽命。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的選擇

1)變頻器控制方式的選擇。

變頻器控制方式主要分四種，V/fl控制方式、轉(zhuǎn)差控制方式、矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式，前兩種是開環(huán)控制，后兩種是閉環(huán)控制。變頻器控制方式的選擇要根據(jù)生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度及起動轉(zhuǎn)矩的要求等方面綜合考慮。

對于水泵、風(fēng)機、壓縮機等負載，為恒轉(zhuǎn)矩負載，對調(diào)速范圍和調(diào)速要求較低，可選擇V/fl控制方式。V/fl控制方式調(diào)速范圍一般在10∶1；轉(zhuǎn)速精度在2%～3%，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格便宜，缺點是開環(huán)控制，控制性能較低，低速時，需改變低頻轉(zhuǎn)矩特性，來進行轉(zhuǎn)矩補償。

對于要求張力、恒線速的漿紗機、熱定型機等低速時要求有較強的機械特性，并要有一定的調(diào)速精度，可選不帶速度反饋的矢量控制方式；對于對調(diào)速精度及動態(tài)性能方面都有較高要求的，可選帶速度反饋的矢量控制方式。矢量控制方式優(yōu)點是調(diào)速范圍可達1 000∶1，轉(zhuǎn)速精度在0.5%左右。

對于電力機車、交流伺服系統(tǒng)、起重機、電梯等要求高精度控制力矩的設(shè)備，常采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要將交流電動機轉(zhuǎn)化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算。計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。

2)變頻器容量的選擇。

變頻器容量的選擇應(yīng)根據(jù)所拖動負載的類型和調(diào)速要求，計算出運行過程中出現(xiàn)的最大工作電流來選擇，同時考慮變頻器容量與電動機容量的匹配。

a.風(fēng)機、水泵、空壓機等常用的負載，調(diào)速范圍不大，變頻器的額定電流一般按電動機額定電流的1.1倍選擇，則變頻器的容量也按電動機容量的1.1倍選擇。

b.周期性變化負載連續(xù)運行時變頻器容量的計算，很多情況下電動機的負載具有周期性變化的特點。在此情況下，按最大負載選擇變頻器將是很不經(jīng)濟的，變頻器的容量可在最大負載和最小負載之間適當(dāng)選擇，以便變頻器得到充分利用而又不過載。

c.非周期性變化負載連續(xù)運行時變頻器容量的計算，這種情況很難做出負載電流圖，可按電動機在輸出最大轉(zhuǎn)矩時的電流計算變頻器的額定電流。

d.單臺變頻器驅(qū)動多臺電動機時容量的選擇，一般情況下多臺電動機由單個變頻器供電時，功率較小的電動機采用直接起動，功率較大的電動機則由變頻器實現(xiàn)軟起動。

4 結(jié)語

近年來，隨著變頻器設(shè)計開發(fā)技術(shù)的進步，“綠色”變頻器逐步推廣使用。所謂“綠色”變頻器即輸入、輸出電流都是正弦波；輸入因數(shù)可控，帶任何負載時都能使功率因數(shù)達到0.95以上；可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置交流電抗器，能很好的抑制諧波，同時保護整流橋不受電源電壓的瞬間尖波影響；為了減少諧波造成的干擾，在變頻器輸出回路安裝噪聲濾波器，降低載波頻率；在大功率變頻器中采用低諧波技術(shù)。這樣的變頻器雖然一次投資高于普通變頻器，卻可明顯提高電源質(zhì)量。裝置變電所使用變頻器較多時，節(jié)省了治理電網(wǎng)諧波、提高電網(wǎng)質(zhì)量的費用，是解決電源污染，真正環(huán)保節(jié)能的有效方法。

[1] 李發(fā)海，朱動起.電機學(xué)[M].第3版.北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] 楊興瑤.電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng)[M].第2版.北京：水利電力出版社，1995.

[3] 蔡士齊.通用變頻器應(yīng)用技術(shù)指南[J].變頻器世界，2007(7)：80-82.

The application of frequency conversion speed governor and selection

MA Gang

(TaiyuanThermalPowerCorporation,Taiyuan030001,China)

This paper lists the advantages and necessity of inverter application focuses on application of frequency converter to power quality problems and their solutions. From two aspects of electromagnetic design and structural analysis of the difference from the ordinary motor and frequency conversion motor, this paper expounds the selection in the design of variable frequency speed regulation system of the necessity of variable frequency motor, and choice way, for reference.

frequency control of motor speed, harmonic, frequency conversion control

2014-07-12

馬 鋼(1971- )，男，工程師

1009-6825(2014)27-0145-02

TM734

A