變頻器在電機(jī)拖動(dòng)中的應(yīng)用分析

阿特拉斯.科普柯(無錫)壓縮機(jī)有限公司 袁建清

在節(jié)能高效等技術(shù)發(fā)展和需求，以及降本增產(chǎn)的趨勢下，變頻器在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。相應(yīng)的對(duì)于變頻器的技術(shù)和應(yīng)用的要求也越來越高，通常變頻器的控制模式也非常多，主要有V/F、矢量、DTC，通常根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的控制方式。

本文則通過實(shí)際案列，介紹變頻器的一個(gè)特殊應(yīng)用及問題分析——變頻器啟動(dòng)，旁路運(yùn)行應(yīng)用選型和問題分析。

1 應(yīng)用背景

1.1 變頻器應(yīng)用

當(dāng)今通用類風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備，出于節(jié)能的考慮，變頻器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用已經(jīng)很普遍，變頻器一般都具有一定的短時(shí)過載能力，可以達(dá)到120%，持續(xù)1min，因此對(duì)于這類負(fù)載在選型時(shí)，只需選擇稍大于電動(dòng)機(jī)容量的變頻器即可。

結(jié)合到具體的應(yīng)用，還需考慮實(shí)際工藝、應(yīng)用方式和場景等，涉及到的一些因素，如系統(tǒng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、設(shè)備的固有屬性、共振和允許的起停時(shí)間、加速響應(yīng)等，這時(shí)就需要結(jié)合這些需求，重新計(jì)算考量，選擇合適的變頻器。

1.2 項(xiàng)目背景

設(shè)備是一臺(tái)離心式壓縮機(jī)，由于客戶電網(wǎng)的容量問題，因此選用一套變頻器來作為啟動(dòng)器，啟動(dòng)完成后切換成工頻運(yùn)行，因此總包商可以根據(jù)設(shè)備商提供的整機(jī)電機(jī)和負(fù)載參數(shù)以及性能曲線選擇合適容量的變頻器和工頻高壓配電柜。

1.3 基本數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目中驅(qū)動(dòng)和負(fù)載的基本數(shù)據(jù)如下：

主電機(jī)的基本數(shù)據(jù)是：TECO/AEZW-S2 4500 kW 10kV 4P 50Hz DOL IC81W IM1001

電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行性能數(shù)據(jù)如表1，電機(jī)的T-N&I-N 曲線如圖1（圖中黑色點(diǎn)劃線為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩曲線），電機(jī)和負(fù)載的基本參數(shù)如表2。

圖1 電機(jī)T-N&I-N 曲線

表1 電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行性能數(shù)據(jù)表

表2 電機(jī)和負(fù)載的基本參數(shù)

2 變頻器應(yīng)用

2.1 基本原理[1]

在本實(shí)際案例的高壓變頻器應(yīng)用中，并不是直接將高壓接入到變頻器的輸入端，而是通過移相隔離變壓器將高壓電降為合適的低壓，再供給每個(gè)功率模塊，構(gòu)成多級(jí)移相疊加的整流方式，這種方式可以很好的改善電網(wǎng)的電流波形，在不用任何功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置的情況，負(fù)載情況下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可接近1。

移相變壓器副邊繞組采用延邊三角形接法，每一組副邊單獨(dú)給變頻柜的每個(gè)功率單元供電，且與對(duì)應(yīng)的功率單元之間互相絕緣。功率單元采用大功率器件，結(jié)構(gòu)上每組完全一樣，可以相互替換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用三相橋式二極管整流，IGBT 單相逆變PWM 控制電路。

功率輸出結(jié)構(gòu)上采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)的電壓等級(jí)采用對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)串聯(lián)的方案，通過每個(gè)單元的U、V 輸出端子相互串聯(lián)而形成星型接法給電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM 波形進(jìn)行重組，得到滿意的PWM 波形，降低了dv/dt，也減少對(duì)電纜與電機(jī)絕緣的損壞，在沒有輸出濾波器情況下加長了輸出傳輸距離，同時(shí)極大的降低了電機(jī)的諧波損耗，因此基本消除了由諧波引起的機(jī)械振動(dòng)，減少了軸承的機(jī)械力。每個(gè)功率單元的工作原理如圖2所示。

圖2 單個(gè)功率單元原理圖

2.2 選型計(jì)算和問題分析

下面對(duì)變頻器和變壓器容量的計(jì)算分別按照兩種角度來考量和分析，并通過實(shí)際啟動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)曲線分析。

2.2.1 根據(jù)實(shí)際負(fù)載計(jì)算

根據(jù)實(shí)際負(fù)載的角度出發(fā)，這個(gè)方法的計(jì)算直接根據(jù)負(fù)載的大小，從啟動(dòng)和加速的角度直接考慮最小容量需求。

根據(jù)上文中圖2和表1的基本數(shù)據(jù)，基本的計(jì)算過程如下：

電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Te=9550×（Pe/Ne）=28842 (Nm)起動(dòng)時(shí)負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩MZK=1200 (kgm)

變頻器最小功率需求Pmin=MZK×（Ne/9550）=1834(kW)

考慮變頻器的余量Pe=2000(kW)(放了約1.09的倍數(shù))。

移相變壓器的設(shè)計(jì)容量2500kVA。

起動(dòng)時(shí)間復(fù)核，按照采用勻加速方式起動(dòng)，加速轉(zhuǎn)矩為0.1Me來計(jì)算

采用0.1Me勻加速起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間76(s)小于最大允許啟動(dòng)時(shí)間150(s)，滿足這項(xiàng)要求。

計(jì)算結(jié)果：根據(jù)上述的計(jì)算，得到的最小容量的變頻器的結(jié)果見表3。

表3 方法1的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況分析，上述計(jì)算方法，選型和配置出來的啟動(dòng)柜，通過實(shí)際拖動(dòng)負(fù)載空載啟動(dòng)(啟動(dòng)完成后切換工頻正常工作運(yùn)行)，來檢驗(yàn)選型是否合理。

驗(yàn)證的結(jié)果是：在測試時(shí)起動(dòng)運(yùn)行了5次，都因起動(dòng)過程中機(jī)器產(chǎn)生的共振太大，手動(dòng)安全停車。

起動(dòng)過程中電機(jī)電流和振動(dòng)曲線如圖3（由于記錄的最小時(shí)間是1ms，因此，尖峰沒有顯示出來）。

圖3 電機(jī)電流和機(jī)器振動(dòng)曲線1

為了更好的分析啟動(dòng)過程振動(dòng)，用儀器測量轉(zhuǎn)速與振動(dòng)的曲線，找到振動(dòng)最大的位置，從圖4可以看出共振最大出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速1148r/min 處，對(duì)應(yīng)于變頻器的輸出頻率在36Hz 處。

圖4 轉(zhuǎn)速和振動(dòng)曲線圖

通過分析幾次啟動(dòng)的電流和振動(dòng)曲線分析，由于選型計(jì)算時(shí)對(duì)于額定容量的余量放的較小，啟動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的升高而變大，加速度也會(huì)相應(yīng)的改變，為了快速的通過共振區(qū)域，設(shè)置快速通過40Hz 附近區(qū)域。如圖5所示。

圖5 電機(jī)電流和機(jī)器振動(dòng)曲線2

嘗試通過調(diào)整和優(yōu)化加速時(shí)間，效果均不明顯輸出電流受限，在接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)受限于最大流的限制(額定電流125A，最大工作電流150A)，沒法快速通過共振區(qū)域，如圖5。

通過分析發(fā)現(xiàn)上述方法1由于在計(jì)算驅(qū)動(dòng)器容量時(shí)沒有考慮到共振區(qū)域的問題，因此在計(jì)算容量時(shí)只考慮了最小的勻加速啟動(dòng)和啟動(dòng)時(shí)間的問題，導(dǎo)致在需要快速通過共振區(qū)域時(shí)輸出能力不夠。進(jìn)而通過計(jì)算優(yōu)化，將相關(guān)因素都考慮進(jìn)去以及額外裕量來解決起動(dòng)過程出現(xiàn)的振動(dòng)問題。

2.2.2 根據(jù)電機(jī)功率估算和優(yōu)化計(jì)算[2]

下面將通過一般經(jīng)驗(yàn)法和優(yōu)化計(jì)算的方法來調(diào)整和優(yōu)化前面的計(jì)算

在一般情況可以簡單的根據(jù)電機(jī)的T-N，I-N，負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線和電機(jī)功率直接根據(jù)負(fù)載特性以及考慮到設(shè)備的不同工況，電機(jī)在選型和考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)時(shí)間的時(shí)候已經(jīng)考慮到了所有折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以及需要的啟動(dòng)時(shí)間等方面的因素了，因此可直接按照電機(jī)功率的55%-60%來簡單選擇空載啟動(dòng)器的容量。

若考慮上面負(fù)載計(jì)算方法時(shí)，將所有的負(fù)載轉(zhuǎn)矩都考慮進(jìn)去，電機(jī)力矩包含動(dòng)態(tài)力矩分量和負(fù)載力矩分量[3]，即：T=Tdyn+Tload

動(dòng)態(tài)力矩分量，Tdyn[Nm]=J[kgm2]×（2π/60）×（Δn[rpm]/Δt[s]），動(dòng)態(tài)力矩影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)這個(gè)總力矩計(jì)算出需要的功率，然后可以根據(jù)下面的公式凡推算出對(duì)于各段的加速時(shí)間，公式為：Δt[s]=J[kgm2]×（2π/60）×（Δn[rpm]/Tdyn）=J[kgm2]×（2π/60）×〔Δn[rpm]/（Tn-Tload）〕

若全程考慮電機(jī)動(dòng)態(tài)力矩，按照上面計(jì)算的76(s)考慮，則Tdyn=2592.9(Nm)

繼續(xù)按照上面的算法，變頻器最小功率需求為：

Pmin1=（MZK＋Mdyn）×Ne/9550≈2239(kW)

根據(jù)這個(gè)最小功率，動(dòng)態(tài)力轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可以根據(jù)公式算出通過30-40Hz 區(qū)間的平均加速時(shí)間，如果每段都是用負(fù)載力矩的平均值，根據(jù)電機(jī)T-N 曲線上的負(fù)

載轉(zhuǎn)矩曲線，算出這一段的負(fù)載平均力矩約為：Tload=（700＋1000）/2=850[kgm2]

根據(jù)公式得：Δt[s]=J[kgm2]×（2π/60）×〔Δn[rpm]/（Tn-Tload）〕=1263×（2π/60）×（300/6020）=6.5[s]

若考慮到快速通過共振區(qū)，還按照勻加速的方式，將加速時(shí)間縮短為45(s)，一個(gè)比較合理的時(shí)間，則Tdyn=4379.18(Nm)，相應(yīng)的計(jì)算出變頻器的最小功率需求為：Pmin2=（MZK＋Mdyn）×（Ne/9550）≈2518(kW)

繼續(xù)根據(jù)平均力矩計(jì)算共振區(qū)間段（30-40Hz）的平均加速時(shí)間：

Δt[s]=J[kgm2]×（2π/60）×〔Δn[rpm]/（Tn-Tload）〕=1263×（2π/60）×（300/7808）≈5[s]

根據(jù)實(shí)測將變頻器容量增大到2500kW，能較快的通過共振區(qū)，成功的空載啟動(dòng)然后切換旁路。

通過計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了前面計(jì)算和初始數(shù)據(jù)兩個(gè)方面的問題。首先計(jì)算的問題，計(jì)算時(shí)應(yīng)該將所有負(fù)載都考慮進(jìn)去，或者直接參考總的拖動(dòng)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)來分析；其次初始數(shù)據(jù)的問題，經(jīng)過多次核實(shí)發(fā)現(xiàn)初始數(shù)據(jù)中負(fù)載空轉(zhuǎn)最大阻轉(zhuǎn)矩已經(jīng)被放了額外的約10%的裕量，這才會(huì)出現(xiàn)前面的僅按照負(fù)載計(jì)算，加上變頻器的過載能力，若不出現(xiàn)共振也能正常拖動(dòng)啟動(dòng)。

3 結(jié)語

通過這次實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用，首先獲得了更多和更直接的一手資料，并對(duì)變頻器選型計(jì)算和應(yīng)用有了更多的實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和支撐，同時(shí)驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)法和計(jì)算數(shù)據(jù)的相互印證，為今后的應(yīng)用提供了理論和數(shù)據(jù)的支持。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該結(jié)合設(shè)備的實(shí)際特性和工藝的應(yīng)用需求來通過恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟx擇合適的變頻器。