变频调速器的应用及选型

马 钢

(太原市热力公司，山西 太原 030001)

变频调速器的应用及选型

马 钢

(太原市热力公司，山西 太原 030001)

列举了变频器应用的优势及必要性，着重分析了应用变频器对电网质量带来的问题及其解决措施，并从电磁设计和结构两方面分析了变频电动机与普通电动机的区别，阐述了变频调速系统设计中选用变频电动机的必要性及选型方式，以供参考。

变频调速，谐波，变频控制

随着科学技术的进步，变频调速器在速度控制和节能方面的作用越来越大。应用变频调速不但可以大大提高电动机的控制精度，严格按照负载的特性曲线运行，同时在节能节电方面的效益也非常显著。在变频调速系统的设计中，电动机、变频器、变频器附件电抗器及滤波器、变频电缆的选择较为重要，对调速系统的安全运行和投资成本都有影响。通常在工艺设计中，考虑到设计要求的最大输出功率，电动机的设计容量比实际需要高出很多，工作效率低，长期连续运行造成电能的极大浪费。因此采用变频调速器对于节约用电效果显著。

但是变频器在工作中不断地整流和变频，给电网带来的最大影响就是谐波干扰。谐波干扰会使电动机的效率降低，发热增加；变压器等设备由于谐波电流的增大而增加磁滞损耗和涡流损耗，绝缘介质老化加速；电容器容易吸收谐波电流而引起过载发热，谐波过大易导致绝缘击穿；谐波较高还容易引起继电保护的误动或拒动，使电力系统可靠性降低；谐波对通信线路和电子设备的工作最容易产生干扰。可见变频器在给生产带来便利和效益的同时，也会带来不少的烦恼，所以在实际应用时还应了解变频器的特性，采取相应措施，尽量减小变频器的负面影响。

下面就供热装置的特点，阐述变频器在变频系统中的选择。

1 变频器输出的变频电源对电动机的影响

变频调速系统中变频器输出的电压、频率随负荷的变化而变化，变频器的输出对电动机的影响主要有以下几个方面：

1)电动机升温的问题。

正常运行中的变频器，会产生一小部分的谐波电流，但并不影响电动机的运行，其电流波形近似于正弦。变频器的低次谐波可以有效抑制，高次谐波含量较小却无法消除。高次谐波会增加电动机绕组中的铜耗、铁耗及附加损耗，特别是转子铜耗。

低频运行时变频调速系统中电动机的转速很低，电源中高次谐波会增大损耗，但电动机的冷却风量随转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状态变得很差，温升增加。

综上所述电动机额外发热，温度增高，效率降低，电动机寿命减小。如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加5 ℃～10 ℃。

2)电动机绝缘强度问题。

变频调速系统中电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，会对电动机定子绕组绝缘构成威胁，瞬间高压的反复冲击会加速绕组绝缘的老化，严重的会引起绕组匝间短路，烧毁电动机。

3)谐波引起的电磁噪声与振动问题。

变频器供电时，电磁、机械、通风等因素引起的振动和噪声变得更加复杂。变频电源中含有的各次谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。由于变频调速系统电动机工作频率范围较大，转速变化范围也大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有振动频率。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振，从而加大噪声。

2 变频电动机与普通电动机的区别

1)电磁设计方面。

工况下的变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，因此起动性能不需过多考虑。关键是非正弦波电流对电动机的影响，电磁设计时注意从以下几个方面采取措施：

a.尽量减小定子和转子绕组的电阻，减小定子电阻可以降低基波铜耗，弥补高次谐波引起的铜耗。

b.抑制电流中的高次谐波，需适当增大电动机定子和转子绕组的电感。

c.变频电动机设计时电磁负荷设计余量大，主磁路设计一般为不饱和状态，首先考虑高次谐波会对深磁路饱和；其次考虑低频时，适当提高变频器的输出电压来提高输出转矩。

2)结构设计方面。

结构设计时，主要从以下方面考虑非正弦电源对变频电动机的绝缘、振动、噪声、冷却方式等方面的影响：

a.绝缘结构加强，电动机绕组绝缘等级一般为F级绝缘，对地绝缘和匝间绝缘强度的加强，以提高承受高频电压的水平。

b.对电动机的振动、噪声问题要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振。

c.电动机需经常在低速状态下运行时，冷却方式一般为强迫通风，即采用独立的电动机驱动主电机散热风扇。

d.防止轴电流措施，对容量超过160 kW电动机(一般为10 kV)应采用轴承绝缘措施。主要是因为易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏。

e.恒功率调速时(频率向50 Hz以上调整)，电动机转速可能会很高，这由变频调速系统的调速范围确定。一般电动机的临界转速为额定转速的1.2倍，而恒功率调速电动机的临界转速可能很高，所以设计时对转子、轴及轴承的机械强度要有高要求。

从以上分析可得出，变频调速系统设计中应尽量选择变频电动机。若选择普通电动机，从原理上说可用，但电动机的温升增大，效率降低，最终会大大降低电动机的使用寿命。

3 变频调速系统中变频器的选择

1)变频器控制方式的选择。

变频器控制方式主要分四种，V/fl控制方式、转差控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式，前两种是开环控制，后两种是闭环控制。变频器控制方式的选择要根据生产机械的类型、调速范围、静态速度精度及起动转矩的要求等方面综合考虑。

对于水泵、风机、压缩机等负载，为恒转矩负载，对调速范围和调速要求较低，可选择V/fl控制方式。V/fl控制方式调速范围一般在10∶1；转速精度在2%～3%，优点是结构简单、操作方便、价格便宜，缺点是开环控制，控制性能较低，低速时，需改变低频转矩特性，来进行转矩补偿。

对于要求张力、恒线速的浆纱机、热定型机等低速时要求有较强的机械特性，并要有一定的调速精度，可选不带速度反馈的矢量控制方式；对于对调速精度及动态性能方面都有较高要求的，可选带速度反馈的矢量控制方式。矢量控制方式优点是调速范围可达1 000∶1，转速精度在0.5%左右。

对于电力机车、交流伺服系统、起重机、电梯等要求高精度控制力矩的设备，常采用直接转矩控制方式。直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，不需要将交流电动机转化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算。计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。

2)变频器容量的选择。

变频器容量的选择应根据所拖动负载的类型和调速要求，计算出运行过程中出现的最大工作电流来选择，同时考虑变频器容量与电动机容量的匹配。

a.风机、水泵、空压机等常用的负载，调速范围不大，变频器的额定电流一般按电动机额定电流的1.1倍选择，则变频器的容量也按电动机容量的1.1倍选择。

b.周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算，很多情况下电动机的负载具有周期性变化的特点。在此情况下，按最大负载选择变频器将是很不经济的，变频器的容量可在最大负载和最小负载之间适当选择，以便变频器得到充分利用而又不过载。

c.非周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算，这种情况很难做出负载电流图，可按电动机在输出最大转矩时的电流计算变频器的额定电流。

d.单台变频器驱动多台电动机时容量的选择，一般情况下多台电动机由单个变频器供电时，功率较小的电动机采用直接起动，功率较大的电动机则由变频器实现软起动。

4 结语

近年来，随着变频器设计开发技术的进步，“绿色”变频器逐步推广使用。所谓“绿色”变频器即输入、输出电流都是正弦波；输入因数可控，带任何负载时都能使功率因数达到0.95以上；可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置交流电抗器，能很好的抑制谐波，同时保护整流桥不受电源电压的瞬间尖波影响；为了减少谐波造成的干扰，在变频器输出回路安装噪声滤波器，降低载波频率；在大功率变频器中采用低谐波技术。这样的变频器虽然一次投资高于普通变频器，却可明显提高电源质量。装置变电所使用变频器较多时，节省了治理电网谐波、提高电网质量的费用，是解决电源污染，真正环保节能的有效方法。

[1] 李发海，朱动起.电机学[M].第3版.北京：科学出版社，2005.

[2] 杨兴瑶.电动机调速的原理及系统[M].第2版.北京：水利电力出版社，1995.

[3] 蔡士齐.通用变频器应用技术指南[J].变频器世界，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

马 钢(1971- )，男，工程师

1009-6825(2014)27-0145-02

TM734

A