變頻調速控制系統設計中的問題分析
1 引言
變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀60年代后半期開始, 電力電子器件從scr(晶閘管)、gto(門極可關斷晶閘管)、bjt(雙極型功率晶體管)、mosfet(金屬氧化物場效應管)、sit(靜電感應晶體管)、sith(靜電感應晶閘管)、mgt(mos控制晶體管)、mct(mos控制品閘管)發展到今天的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的不斷發展。20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻(pwm-vvvf)調速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的pwm模式優化問題吸引著人們的濃厚興趣, 并得出諸多優化模式，其中以鞍形波pwm模式效果*佳。20世紀80年代后半期開始, 美、日、德、英等發達國家的vvvf變頻器已投入市場并廣泛應用。
2 變頻調速系統的效率分析
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，但調頻范圍受到限制，應用受到限制，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%。其前兩項損耗是隨著變頻器的容量、負荷、拓撲結構的不同而變化的，而控制回路損耗不隨變頻器容量、負荷而變化。變頻器采用大功率自關斷開關器件等現代電力電子技術，其整流損耗、逆變損耗等都比傳統電子技術中整流損耗力量小，根據文獻[1]提供資料，變頻器在額定狀態運行時，其效率為86.4%~96%，隨著變頻器功率增大而得以提高。
2.2 變頻調速后電動機效率的變化
變頻調速后，電動機的各種損耗和效率均有所變化，根據電機學理論，電動機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、風阻損耗、定子繞組銅耗、轉子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。
鐵芯中的磁滯損耗表達式為:
說明磁滯損耗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對于一般硅鋼片，當bm=0.8～1.6w/m2時，α=2。
由風機和泵類理論，其流量q與所需電動機軸功率p與轉速n的關系為: q∝n; p∝n3; p∝q3
變頻調速后，磁滯損耗減少速度比電動機有功減少，速度慢，損耗所占比例有所提高。
渦流損耗表達式為: 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
風阻損耗: pf∝f3
定子繞組銅耗和轉子繞組銅耗其大小與電源頻率f沒有直接關系，但高次諧波及脈動電流增加了電動機的銅耗。
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，都產生現諧波，這些附加的高次諧波，許多諧波的轉矩方向是與基波轉矩方向相反的，另外高次諧波也會增加渦流損耗。綜上所述，變頻調速后，電動機的磁滯損耗、渦流損耗、軸承摩擦損耗、定轉子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加，有關文獻指出，變頻調速后電動機電流增加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鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產的共約50多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。附表中參數供選用時參考。
4 轉矩控制型變頻器的選型及相關問題
基于調速方便、節能、運行可靠的優點，變頻調速器已逐漸替代傳統的變極調速、電磁調速和調壓調速方式。在推出pwm磁通矢量控制的變頻器數年后，1998年末又出現采用dtc控制技術的變頻器(直接轉矩控制變頻器)。abb公司的acs600系列是**代采用dtc技術的變頻器，它能夠用開環方式對轉速和轉矩進行準確控制，而且動態和靜態指標已優于pwm閉環控制指標。
直接轉矩控制它以測量電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入。該模型每隔25μs產生一組**的轉矩和磁通實際值，轉矩比較器和磁通比較器將轉矩和磁通的實際值與轉矩和磁通的給定值的比較，給出其*佳開關位置。由此可以看出它是通過對轉矩和磁通的測量，即刻調整逆變電路的開關狀態，進而調整電機的轉矩和磁通，以達到**控制的目的。
4.1 選型原則
在選型前，首先要根據機械對轉速(*高、*低)和轉矩(起動、連續及過載)的要求，確定機械要求的*大輸入功率(即電機的額定功率*小值)。
p=n . t/9950(kw)
式中: p—機械要求的輸入功率(kw)
n—機械轉速(r/min)
t—機械的*大轉矩(n.m)
然后，選擇電機的極數和額定功率。電機的極數決定了同步轉速，要求電機的同步轉速盡可能地覆蓋整個調速范圍，使連續負載容量高一些。為了充分利用設備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步速度，但必須小于電機允許的*大速度。轉矩取設備在起動、連續運行、過載或*高速等狀態下的*大轉矩。*后，根據變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流確定變頻器的參數與型號。
應注意的是，變頻器的額定容量及參數是針對一定的海拔高度和環境溫度而標出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40℃或25℃以下。若使用環境超出該規定，在根據變頻器參數確定型號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方面。其總的原則是首先保證可靠地實現工藝要求，再盡可能節省資金。
根據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、具有轉矩控制功能的高性能型u/f控制變頻器(也稱無跳閘變頻器)和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉矩(tl∝n2)，低速下負載轉矩較小，通常可選擇普通功能型的變頻器。對于恒轉矩類負載或有較高靜態轉速要求的機械采用具有轉矩控制功能的高性能變頻器則是比較理想的。因為這種變頻器低速轉矩大，靜態機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性。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。為了實現大調速比的恒轉矩調速，常采用加大變頻器容量的辦法。對于要求精度高、動態性能好、響應快的生產機械(如造紙機械、軋鋼機等)，應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。
大多數變頻器容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過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仔細了解設備的工藝情況及電動機參數，例如潛水電泵、繞線轉子電動機額定電流要大于普通鼠籠異步電動機額定電流，冶金工業常用的輥道電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態，且輥道傳動大多數是多電動機傳動。應保持在無故障狀態下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。
變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運行狀態下，用變頻器供電與用工頻電網供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率大一個等級，一般為:
pnv≥1.1pn
式中; pnv—變頻器額定功率，kw;
pn—電動機額定功率，kw
5 變頻調速設計中應注意的問題
5.1 負荷匹配問題
機泵負荷*大節能是選用型號、容量與實際負荷相匹配，其中包括機泵與所配電動機的匹配，要避免“大馬拉小車”，一般設計裕量應控制在10%以內。我國的工業系統設計，往往存在向上靠檔，層層加碼，寧大勿小的現象，可以說，從工藝上提出流量時加系數，選機泵時再加系數，電動機選擇還加系數，以致部分工業系統的機泵實際運行效率極低。如果在設計機泵負荷時加變頻調速，以達到節能的目的，實際是增加了變頻器，名義上是增加了新的能源損耗和增加了投資。現在不少對變頻調速的節能效益分析往往忽略了變頻器的效率等，這種簡單的理論計算，其效果是失真的。
在工業生產中，由于生產負荷變化，生產季節變化等，機泵負荷也不是恒定不變的，有時變化范圍還是很大的，有些發電廠由于調峰需要，晝夜負荷變化也較大，而且機泵負荷在使用一年后，輸出流量將比額定流量有所下降。對流量變化較大的機泵負荷采用變頻調速效果是顯而易見的，而且負荷變化范圍越大，節能效果越好。
5.2 高次諧波
變頻器產生的高次諧波，會引起電網電壓波形的畸變，而且是電網有效容量越小，變頻器容量越大，這種影響越嚴重。這種對電網的污染，會使電力電容、電抗器、變壓器容易發熱，并產生電磁諧振，電動機、發電機產生附加損耗，繼電器產生誤動作等。各國對電壓畸變和諧波控制都有相應的規定，我國gb12668-90中規定，電壓畸變率小于10%，任何奇次諧波均不超過5%，任何偶次諧波均不超過2%。使用變頻器后，在電網局部會超過國標，所以一定要采取相應的措施。
5.3 電動機選擇
由于變頻的載波頻率較高，電動機繞組要承受較高的沖擊電壓。另外電動機效率下降，轉速下降后產生的冷卻效果降低，這些都是應該注意的。所以變頻調速后，包括變頻器和電動機損壞情況較多。如條件允??，可采用ytsp和ysg系列變頻調速專用電動機。
由通用變頻器構成的交流調速傳動系統普遍采用標準異步電動機，采用pwm變頻器對異步電動機供電時，定子電流中不可避免的含有高次諧波，電動機空載運行時的功率因數和效率將會更低，負載運行時的鐵損也會有所增加。額定負載下電動機的電流增加約8%，溫升增高20%左右，這對于長時間工作在滿載或接近滿載狀態下的電動機而言是不可忽視的問題，故應適當加大電動機容量，以防溫升過高，影響電動機的使用壽命。
通用的標準鼠籠異步電動機的散熱能力是按額定轉速下且進行自扇風冷考慮的，當恒轉矩負載下電動機調速運行時，其發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扇的辦法或采用較高絕緣等級的電動機。
5.4 變頻器的外部配置及應注意的問題
(1) 選擇合適的外部熔斷器，以便保護因內部短路對整流元件的損壞。變頻器的型號確定后，若變頻器內部整流回路前沒有保護硅元件的快速熔斷器，變頻器與電源之間應配置符合要求的熔斷器和隔離開關，不能用空氣斷路器代替熔斷器和隔離開關。
(2) 選擇變頻器的引入和引出電纜。根據變頻器的功率選擇導線截面合適的三芯或四芯屏蔽動力電纜。尤其是從變頻器到電機之間的動力電纜一定要選用屏蔽結構的電纜，且要盡可能短, 這樣可降低電磁輻射和容性漏電流。當電纜長度超過變頻器所允許的輸出電纜長度時, 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。對于控制電纜，尤其是i/0信號電纜也要用屏蔽結構的。對于變頻器的可選件與變頻器之間的連接電纜其長度不得超過10m。
(3) 在輸入側裝交流電抗器或emc濾波器。根據變頻器安裝場所的其它設備對電網品質的要求, 若變頻器工作時已影響這些設備正常運行, 可在變頻器輸入側裝交流電抗器或emc濾波器, 來抑制由功率元件通斷引起的諧波畸變和傳導輻射。若與變頻器連接的電網的變壓器中性點不接地，則不能選用emc濾波器。當變頻器用500v以上電壓驅動電機時, 需在輸出側配置dv/dt濾波器, 以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化, 有利于保護電機, 同時也降低了容性漏電流和電機電纜的高頻輻射, 以及電機的高頻損耗和軸承電流。使用dv/dt濾波器時要注意濾波器上的電壓降將引起電機轉矩的稍微降低;變頻器與濾波器之間電纜長度不得超過3m。
6 結束語
變頻調速系統的設計應結合系統的靜動態指標, 以負載的機械特性為設計主要參數，在注重變頻器控制方式的選擇及變頻器的選擇的基礎上, 解決變頻調速系統設計中的實際問題, 以使所設計的變頻調速系統具有高的靜動態指標和高的性能價格比。