變頻器與外圍設(shè)備的選擇

劉平凡

(珠海長陸工業(yè)自動控制系統(tǒng)有限公司長沙技術(shù)中心，湖南長沙 410009)

0 引言

變頻器已廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)的控制中，其具有高效率的性能、良好的控制特性，且變頻器的應(yīng)用可節(jié)約大量能源，故其在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。如何選擇合適的變頻器及其外圍設(shè)備，是保證變頻器能否正常工作的首要任務(wù)。本文就變頻器選型及外圍設(shè)備的選擇方法予以介紹。

1 變頻器的選擇

1.1 變頻器類型的選擇

變頻器的類型應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求來選擇。一般來說，生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其特性可分為恒功率負(fù)載、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和平方率負(fù)載。

電機(jī)的功率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的積成比例:

式中:P——功率;

τ—— 轉(zhuǎn)矩;

ω—— 角速度;

T—— 轉(zhuǎn)矩;

n—— 轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如圖1所示，表示常見的不同負(fù)載機(jī)械特性。圖1中恒功率負(fù)載(例如車床)由于沒有恒功率特性的變頻器，可以依靠U/f控制方式來實(shí)現(xiàn)恒功率。

圖1 不同負(fù)載的機(jī)械特性

圖1 中恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(例如傳送帶)，采用普通功能性變頻器，常采用加大電機(jī)和變頻器容量的辦法，以提高低速轉(zhuǎn)矩;如采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能變頻器來實(shí)現(xiàn)，則更理想。

圖1中平方率負(fù)載(例如風(fēng)機(jī)、水泵)，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，低速時負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通常可選用專用或普通功能型通用變頻器。

對于要求精度高、動態(tài)性能好、速度響應(yīng)快的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的高性能型通用變頻器。

采用變頻器調(diào)速負(fù)載運(yùn)行時，如果不充分認(rèn)識以上所說的負(fù)載特性而去選擇變頻器和電機(jī)，會發(fā)生電機(jī)過熱等不良情況。

1.2 變頻器容量的選擇

根據(jù)GB 12668-90《交流電動機(jī)半導(dǎo)體變頻調(diào)速裝置總技術(shù)條件》附錄A，380 V、160 kW以下單臺電機(jī)與裝置間容量的匹配見表1。

變頻器容量的選擇由很多因素決定，如電機(jī)的容量、額定電流、電機(jī)的加/減速時間等，其中最主要的是電機(jī)的額定電流。

表1 380 V、160 kW以下單臺電機(jī)與裝置間容量的匹配(參考件)

對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須滿足表2所示的要求。

表2 變頻器容量選擇(單臺電動機(jī))

表中:PM——負(fù)載要求的電機(jī)軸輸出;

η——電機(jī)效率(通常約 0.85);

cos φ——電機(jī)功率因數(shù)(通常約 0.75);

UE——電機(jī)額定電壓;

IE——電機(jī)額定電流;

K——電流波形補(bǔ)償系數(shù)(PWM方式取1.05 ～1.10)。

但變頻器同時驅(qū)動多臺電機(jī)時，一定要保證變頻器額定輸出電流大于所有電機(jī)額定電流之和(見表3)。

變頻器容量的選擇實(shí)際是根據(jù)負(fù)載實(shí)際電流選擇。對于一般負(fù)載，可以根據(jù)電機(jī)的額定電流選擇變頻器，即變頻器額定電流(即常規(guī)環(huán)境下的最大持續(xù)工作電流)大于電機(jī)額定電流即可。

表3 變頻器容量選擇(多臺電動機(jī))

表中:PM——負(fù)載要求的電機(jī)軸輸出;

Pel——連續(xù)容量;

NT——并列電機(jī)臺數(shù);

KS——電機(jī)起動電流/電機(jī)額定電流;

η——電機(jī)效率(通常約0.85);

IE——電機(jī)額定電流;

cos φ——電機(jī)功率因數(shù);

K——電流波形補(bǔ)償系數(shù)(PWM方式取1.05 ～1.10);

NS——電機(jī)同時起動的臺數(shù)。

由于必須要考慮極限狀況的出現(xiàn)，因此變頻器還需要可以提供短時間的過載電流。變頻器有一條過載電流曲線，是反時限曲線，描述了過載電流和時間的關(guān)系。這就是變頻器廠商經(jīng)常說的過載能力可以達(dá)到150%額定電流2 s、180%額定電流2 s的說法，實(shí)際上是一條曲線。因此，只要電機(jī)的電流曲線在變頻器的過載電流曲線之內(nèi)，就是正確的選型。這就是為什么有時候變頻器功率要大于電機(jī)功率1檔或2檔(比如起重應(yīng)用)，有時候小功率變頻器仍然可以驅(qū)動大功率電機(jī)(如輸送帶)的原因。在非正常環(huán)境下，比如高海拔、高環(huán)境溫度(例如大于50℃小于60℃的環(huán)境)、并排安裝方式(有些變頻器并排安裝不降容，有些要降容，根據(jù)變頻器設(shè)計決定)等情況下，要考慮變頻器的降容。變頻器的額定功率可能大于電機(jī)功率，也可小于電機(jī)功率，事實(shí)上變頻器的選型也是由機(jī)械負(fù)載決定的。

2 變頻器外圍設(shè)備的選擇

變頻器的外圍設(shè)備又叫配套設(shè)備、選用設(shè)備。它在變頻器的工作中起著舉足輕重的作用，影響變頻系統(tǒng)能否正確、合理的運(yùn)行，所以必須要合理選擇變頻器的外圍設(shè)備。

變頻器的外圍設(shè)備分為常規(guī)設(shè)備和專用設(shè)備，如圖2所示。外圍設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際需要選擇，但斷路器、電機(jī)是必備的。

圖2 變頻器的外圍設(shè)備

2.1 斷路器QF

選擇方法:(1)在沒有工頻電源切換電路時，由于在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的起動電流可控制在較小范圍內(nèi)，因此，斷路器的額定電流可按變頻器的額定電流來選用，即IQe(低壓斷路器的額定電流)≥IN。(2)如果有工頻電源切換電路，變頻器停止工作時，斷路器直接接電機(jī)，所以斷路器的額定電流應(yīng)按電機(jī)的起動電流來進(jìn)行選擇。公式如下:

式中:IQe——斷路器額定電流;

Ie——電機(jī)額定電流。

2.2 輸入側(cè)接觸器KM1

其功能有兩點(diǎn)，一是電源一旦斷電后，自動將變頻器與電源脫開，以免重新供電時變頻器自行工作;二是變頻器因故障而跳閘時，可通過接觸器使變頻器與電源脫開。由于接觸器本身沒有保護(hù)功能(只有失壓保護(hù))，不存在誤動作問題，因此可以按稍大于變頻器的額定電流來選擇，即

式中:IKe——接觸器額定電流;

IN——變頻器額定電流。

使用時注意:不能使用輸入側(cè)的接觸器來控制變頻器的起停。

2.3 電機(jī)側(cè)KM2與工頻切換用接觸器KM3

變頻器與工頻電源之間的切換運(yùn)行是互鎖的，可以防止變頻器的輸出端接到工頻電源，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)變頻器輸出端誤接到工頻電源，將會損壞變頻器。KM2選用原則同KM1，KM3按電機(jī)額定電流來選擇。

2.4 熱繼電器FR

變頻器內(nèi)部都具有電子熱敏保護(hù)功能，不需要熱繼電器保護(hù)電機(jī)，但遇到下列情形時，應(yīng)考慮使用:

(1)1臺變頻器控制多臺電機(jī);

(2)10 Hz以下或60 Hz以上連續(xù)運(yùn)行;

(3)變頻器有工頻切換。

選用原則是

使用時應(yīng)注意:如果導(dǎo)線過長，由于高次諧波的作用，熱繼電器會誤動作。此情況下應(yīng)該在變頻器與電機(jī)之間串接交流電抗器或用電流傳感器代替熱繼電器。50 Hz時設(shè)定值為電機(jī)額定值的1.0 倍，60 Hz時為1.1 倍。

2.5 輸入輸出電抗器ACL1與ACL2

ACL1用于抑制變頻器輸人側(cè)諧波電流，改善電源側(cè)功率因數(shù)，ACL2用于改善變頻器輸出電流的波形，減少電機(jī)的噪聲，一般也應(yīng)使用。由于電抗器是長期接入電路的，故導(dǎo)線截面應(yīng)足夠大，允許長時間流過變頻器的額定電流。電抗器電感量以基波電流流經(jīng)電抗器時的電壓降不大于額定電壓的3%為宜。在下列場合考慮配套使用:

(1)供電變壓器容量大于500 kVA或10倍變頻器的容量，并且安裝距離小于10 m的場合;

(2)三相電源不平衡率大于3%的場合;

(3)需要改變變頻器功率因數(shù)的場合(用電抗器可提高到0.75 ～0.85)。

電抗器的容量一般可按下式計算:

式中:U——額定電壓;

I——額定電流;

f——最大頻率。

2.6 噪聲干擾濾波器FL-Z、FL-T

FL的作用一是限制變頻器高次諧波對外界的干擾，二是減少周圍供用電設(shè)備對變頻器的不利影響。其選擇視具體工作環(huán)境而定。

2.7 直流電抗器

當(dāng)電網(wǎng)三相電壓不平衡率大于3%時，為保護(hù)變頻器不受過大電流峰值的作用而損壞，還必須在變頻器直流側(cè)串一只電流電抗器，可以有效改善變頻器的功率因數(shù)，可提高到約0.95，直流電抗器的大小可按照各個廠家變頻器說明書提供的數(shù)據(jù)來選擇。

2.8 制動電阻

對于提升負(fù)載、頻繁起動及快速制動的場合，需要配置制動電阻。這樣可以將電機(jī)在負(fù)載下降及制動過程中產(chǎn)生的電能通過制動電阻或制動單元消耗掉。

對于7.5 kW及以下的小容量變頻器，一般在其制動單元隨機(jī)出廠裝有制動電阻;對于大于7.5 kW以上的變頻器，則必須通過計算，選擇合適的制動電阻。

2.8.1 制動電阻阻值的選擇

當(dāng)通過制動電阻的電流等于電機(jī)額定電流的50%時，所得到的制動轉(zhuǎn)矩約等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，用公式表達(dá)如下:

式中:IB——通過制動電阻的電流;

UDH——直流電壓上限值;

RB——制動電阻的阻值;

Ied——電機(jī)額定電流;

TB——制動轉(zhuǎn)矩;

Ted——電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

通常 TB=(0.8 ～2.0)Ted，所以制動電阻的取值范圍為

可見，制動電阻的取值并不是很嚴(yán)格。

2.8.2 制動電阻容量的選擇

當(dāng)制動電阻接入電路時，它消耗的功率為

式中:PBO——制動電阻消耗的功率。

由于制動電阻是斷續(xù)工作的，可按下式修正:

式中:α——修正系數(shù)。

當(dāng) Ped≤18.5 kW 時，α =0.11 ～0.3;當(dāng) Ped≥22 kW 時，α =0.25 ～0.4。

選用時，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)語

根據(jù)變頻器的原理選擇好變頻器與外圍設(shè)備，才能保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的正確、合理運(yùn)行。學(xué)會選擇對使用者來說顯得尤為重要。

[1]GB12668-90交流電動機(jī)半導(dǎo)體變頻調(diào)速裝置總技術(shù)條件[S].

[2]曾毅，張明，孫曉軍.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與維護(hù)[M].濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[3]梁昊.最新變頻器國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施與技術(shù)選型使用技術(shù)手冊[M].天津:天津電子出版社，2005.