变频调速系统设计中的问题探讨

     1 引言

　　变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始, 电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制品闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣, 并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始, 美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。

　　2 变频调速系统的效率分析

　　2.1 变频器的效率与损耗

　　变频器效率是指其本身变换效率。就变频器的两种形式而言。交-交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交-直-交型，其工作原理是先把工频交流电通过整流器变换成直流，然后用逆变器再变换成所需频率的交流电。所以变频器的损耗有三部分组成，整流损耗约占40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗力量小，根据文献[1>提供资料，变频器在额定状态运行时，其效率为8*%～96%，随着变频器功率增大而得以提高。

　　2.2 变频调速后电动机效率的变化

　　变频调速后，电动机的各种损耗和效率均有所变化，根据电机学理论，电动机的损耗可分为铁芯损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。

　　铁芯中的磁滞损耗表达式为:

　　说明磁滞损耗Pn与磁通的交变频率f成正比，与磁通密度的幅值Bm的α次方成正比，α对于一般硅钢片，当Bm=0.8～1.6W/m2时，α=2。

　　由风机和泵类理论，其流量Q与所需电动机轴功率P与转速n的关系为: Q∝n; P∝n3; P∝Q3

　　变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少，速度慢，损耗所占比例有所提高。

　　涡流损耗表达式为: Pe∝af2;

　　式中a=（Bm）2d2/rw; Bm磁通密度的幅值Bm; d铁心厚度; rw涡流回路等效电阻。

　　轴承摩擦损耗: Pz∝f1.5

　　风阻损耗: Pf∝f3

　　定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率f没有直接关系，但高次谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。

　　杂散损耗及附加损耗:不论何种形式的变频器，变频后除基波外，都产生现谐波，这些附加的高次谐波，许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外高次谐波也会增加涡流损耗。综上所述，变频调速后，电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。

　　3 变频器控制方式的合理选用

　　控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约50多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。附表中参数供选用时参考。

　　4 转矩控制型变频器的选型及相关问题

　　基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速和调压调速方式。在推出PWM磁通矢量控制的变频器数年后，1998年末又出现采用DTC控制技术的变频器（直接转矩控制变频器）。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技术的变频器，它能够用开环方式对转速和转矩进行准确控制，而且动态和静态指标已优于PWM闭环控制指标。

　　直接转矩控制它以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型每隔25μs产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值的比较，给出其最佳开关位置。由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。

　　4.1 选型原则

　　在选型前，首先要根据机械对转速（最高、最低）和转矩（起动、连续及过载）的要求，确定机械要求的最大输入功率（即电机的额定功率最小值）。

　　P=n . T/9950（kW）

　　式中: P—机械要求的输入功率（kW）

　　n—机械转速（r/min）

　　T—机械的最大转矩（N.m）

　　然后，选择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步速度，但必须小于电机允许的最大速度。转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大转矩。最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流确定变频器的参数与型号。

　　应注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40℃或25℃以下。若使用环境超出该规定，在根据变频器参数确定型号前要考虑由此造成的降容因素。

　　4.2 变频器容量的选择

　　通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。

　　根据控制功能可将通用变频器分为三种类型:普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩（TL∝n2），低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速要求的机械采用具有转矩控制功能的高性能变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。日本富士公司的FRENIC5000G11/P11、三肯公司的SAMCO-L系列属于此类。也有采用普通型变频器的例子。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高功能型通用变频器。安川公司的VS-616G5系列、西门子公司的6SE7系列变频器属于此类。

　　大多数变频器容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机额定电流要大于普通鼠笼异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多数是多电动机传动。应保持在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。

　　变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级，一般为:

　　Pnv≥1.1Pn

　　式中; PNV—变频器额定功率，kW;

　　PN—电动机额定功率，kW

　　5 变频调速设计中应注意的问题

　　5.1 负荷匹配问题

　　机泵负荷最大节能是选用型号、容量与实际负荷相匹配，其中包括机泵与所配电动机的匹配，要避免“大马拉小车”，一般设计裕量应控制在10%以内。我国的工业系统设计，往往存在向上靠档，层层加码，宁大勿小的现象，可以说，从工艺上提出流量时加系数，选机泵时再加系数，电动机选择还加系数，以致部分工业系统的机泵实际运行效率极低。如果在设计机泵负荷时加变频调速，以达到节能的目的，实际是增加了变频器，名义上是增加了新的能源损耗和增加了投资。现在不少对变频调速的节能效益分析往往忽略了变频器的效率等，这种简单的理论计算，其效果是失真的。

　　在工业生产中，由于生产负荷变化，生产季节变化等，机泵负荷也不是恒定不变的，有时变化范围还是很大的，有些发电厂由于调峰需要，昼夜负荷变化也较大，而且机泵负荷在使用一年后，输出流量将比额定流量有所下降。对流量变化较大的机泵负荷采用变频调速效果是显而易见的，而且负荷变化范围越大，节能效果越好。

　　5.2 高次谐波

　　变频器产生的高次谐波，会引起电网电压波形的畸变，而且是电网有效容量越小，变频器容量越大，这种影响越严重。这种对电网的污染，会使电力电容、电抗器、变压器容易发热，并产生电磁谐振，电动机、发电机产生附加损耗，继电器产生误动作等。各国对电压畸变和谐波控制都有相应的规定，我国GB12668-90中规定，电压畸变率小于10%，任何奇次谐波均不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%。使用变频器后，在电网局部会超过国标，所以一定要采取相应的措施。

　　5.3 电动机选择

　　由于变频的载波频率较高，电动机绕组要承受较高的冲击电压。另外电动机效率下降，转速下降后产生的冷却效果降低，这些都是应该注意的。所以变频调速后，包括变频器和电动机损坏情况较多。如条件允许，可采用YTSP和YSG系列变频调速专用电动机。

　　由通用变频器构成的交流调速传动系统普遍采用标准异步电动机，采用PWM变频器对异步电动机供电时，定子电流中不可避免的含有高次谐波，电动机空载运行时的功率因数和效率将会更低，负载运行时的铁损也会有所增加。额定负载下电动机的电流增加约8%，温升增高20%左右，这对于长时间工作在满载或接近满载状态下的电动机而言是不可忽视的问题，故应适当加大电动机容量，以防温升过高，影响电动机的使用寿命。

　　通用的标准鼠笼异步电动机的散热能力是按额定转速下且进行自扇风冷考虑的，当恒转矩负载下电动机调速运行时，其发热不变但低速下的散热能力变差了，可采用另加恒速冷却风扇的办法或采用较高绝缘等级的电动机。

　　5.4 变频器的外部配置及应注意的问题

　　（1） 选择合适的外部熔断器，以便保护因内部短路对整流元件的损坏。变频器的型号确定后，若变频器内部整流回路前没有保护硅元件的快速熔断器，变频器与电源之间应配置符合要求的熔断器和隔离开关，不能用空气断路器代替熔断器和隔离开关。

　　（2） 选择变频器的引入和引出电缆。根据变频器的功率选择导线截面合适的三芯或四芯屏蔽动力电缆。尤其是从变频器到电机之间的动力电缆一定要选用屏蔽结构的电缆，且要尽可能短, 这样可降低电磁辐射和容性漏电流。当电缆长度超过变频器所允许的输出电缆长度时, 电缆的杂散电容将影响变频器的正常工作，为此要配置输出电抗器。对于控制电缆，尤其是I/0信号电缆也要用屏蔽结构的。对于变频器的可选件与变频器之间的连接电缆其长度不得超过10m。

　　（3） 在输入侧装交流电抗器或EMC滤波器。根据变频器安装场所的其它设备对电网品质的要求, 若变频器工作时已影响这些设备正常运行, 可在变频器输入侧装交流电抗器或EMC滤波器, 来抑制由功率元件通断引起的谐波畸变和传导辐射。若与变频器连接的电网的变压器中性点不接地，则不能选用EMC滤波器。当变频器用500V以上电压驱动电机时, 需在输出侧配置dv/dt滤波器, 以抑制逆变输出电压尖峰和电压的变化, 有利于保护电机, 同时也降低了容性漏电流和电机电缆的高频辐射, 以及电机的高频损耗和轴承电流。使用dv/dt滤波器时要注意滤波器上的电压降将引起电机转矩的稍微降低;变频器与滤波器之间电缆长度不得超过3m。

　　6 结束语

　　变频调速系统的设计应结合系统的静动态指标, 以负载的机械特性为设计主要参数，在注重变频器控制方式的选择及变频器的选择的基础上, 解决变频调速系统设计中的实际问题, 以使所设计的变频调速系统具有高的静动态指标和高的性能价格比。