變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題分析
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*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86.4%~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**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**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*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**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(*高、*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*大輸入功率(即電機(jī)的額定功率*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*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*大速度。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行、過(guò)載或*高速等狀態(tài)下的*大轉(zhuǎn)矩。*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(wú)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(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*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(guó)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(shuō)，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(jiǎn)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(jiàn)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(guó)對(duì)電壓畸變和諧波控制都有相應(yīng)的規(guī)定，我國(guó)gb12668-90中規(guī)定，電壓畸變率小于10%，任何奇次諧波均不超過(guò)5%，任何偶次諧波均不超過(guò)2%。使用變頻器后，在電網(wǎng)局部會(huì)超過(guò)國(guó)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(zhǎng)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(wèn)題，故應(yīng)適當(dāng)加大電動(dòng)機(jī)容量，以防溫升過(guò)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(wèn)題

(1) 選擇合適的外部熔斷器，以便保護(hù)因內(nèi)部短路對(duì)整流元件的損壞。變頻器的型號(hào)確定后，若變頻器內(nèi)部整流回路前沒(méi)有保護(hù)硅元件的快速熔斷器，變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器和隔離開(kāi)關(guān)，不能用空氣斷路器代替熔斷器和隔離開(kāi)關(guān)。
(2) 選擇變頻器的引入和引出電纜。根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯屏蔽動(dòng)力電纜。尤其是從變頻器到電機(jī)之間的動(dòng)力電纜一定要選用屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜，且要盡可能短, 這樣可降低電磁輻射和容性漏電流。當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過(guò)變頻器所允許的輸出電纜長(zhǎng)度時(shí), 電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作，為此要配置輸出電抗器。對(duì)于控制電纜，尤其是i/0信號(hào)電纜也要用屏蔽結(jié)構(gòu)的。對(duì)于變頻器的可選件與變頻器之間的連接電纜其長(zhǎng)度不得超過(guò)10m。
(3) 在輸入側(cè)裝交流電抗器或emc濾波器。根據(jù)變頻器安裝場(chǎng)所的其它設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)的要求, 若變頻器工作時(shí)已影響這些設(shè)備正常運(yùn)行, 可在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器或emc濾波器, 來(lái)抑制由功率元件通斷引起的諧波畸變和傳導(dǎo)輻射。若與變頻器連接的電網(wǎng)的變壓器中性點(diǎn)不接地，則不能選用emc濾波器。當(dāng)變頻器用500v以上電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí), 需在輸出側(cè)配置dv/dt濾波器, 以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化, 有利于保護(hù)電機(jī), 同時(shí)也降低了容性漏電流和電機(jī)電纜的高頻輻射, 以及電機(jī)的高頻損耗和軸承電流。使用dv/dt濾波器時(shí)要注意濾波器上的電壓降將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的稍微降低;變頻器與濾波器之間電纜長(zhǎng)度不得超過(guò)3m。

6 結(jié)束語(yǔ)
變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)指標(biāo), 以負(fù)載的機(jī)械特性為設(shè)計(jì)主要參數(shù)，在注重變頻器控制方式的選擇及變頻器的選擇的基礎(chǔ)上, 解決變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題, 以使所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高的靜動(dòng)態(tài)指標(biāo)和高的性能價(jià)格比。