變頻驅動中心的特點及其應用

常國慶 CHANG Guo-qing；秦云 QIN Yun

（山西科泰自動化科技有限公司，長治046011）

0 引言

目前，多數應用是分散設備的布置，分散的單機變頻驅動方式有以下問題:①獨立的用電設備多，供電與保護匹配不佳，易出故障，維護量大；②設備連接電纜多,連接點多,連接電纜長,能耗高，占用空間大。針對上述缺點，經過多年變頻器的研發和現場調試應用，我們開發出一種集總度高匹配合理驅動性能優良的大功率的變頻驅動設備，而且適應礦山網絡化發展的需要，有完善的自動控制功能，適應面廣。將傳統驅動方式改為變頻驅動中心，可以大大提高設備性能價格比，發揮先進設備的優勢。

1 變頻驅動中心的特點

1.1 產品的結構形式 這是一種應用型創新產品，是將礦用隔爆型高壓開關，礦用隔爆型干式變壓器與礦用隔爆兼本質安全型變頻器（代表產品：BPJ-2X500/1140Y，發明專利號：ZL.201110234521.X）通過某種防爆形式組合形成的新產品——變頻驅動中心。

1.2 產品的功能特點 驅動中心適用于多機驅動，智能化程度高，人機交互友好，占用空間小，外圍接線少，性能穩定可靠，平均無故障時間長，性價比高，最適于爆炸性的工業環境。

輸出路數：2回路。

保護方式：漏電保護，漏電閉鎖，短路，過載，IGBT保護，過欠壓及電機溫度。

人機對話：大屏幕顯示器與鼠標操作。

通訊：現場總場與工業以太網。

1.2.1 高壓開關特點 變頻驅動中心高壓側使用的是高壓開關（礦用隔爆型高壓真空配電裝置），對井下10kV/50Hz（或6kV/50Hz）額定電流400A及以下中性點不接地供電系統進行控制和保護，同時作為10kV（或6kV）高壓側開關使用。有數字顯示與短路、過載、過欠壓和缺相等保護。

1.2.2 隔爆型干式變壓器特點 礦用隔爆型干式變壓器,采用高品質的NOMEX○R絕緣材料制造的非包封式干式變壓器技術。高壓線圈采用層式結構，提高橢圓線圈輻向機械強度。鐵心采用優質高導磁率冷軋硅鋼片，心柱為橢圓截面，全斜接縫，上、下鐵軛用拉板、拉帶緊固，結構先進、緊湊、可靠。防爆殼體采用波紋筒式結構，具有良好的散熱性能，機械強度高，結構緊湊。變比10kV（或6kV）/1.2kV。

1.2.3 驅動中心用變頻器特點 驅動中心用變頻器位于低壓側，由變頻器本體和控制單元組成，有濾波、整流、能量儲存、逆變及輸出，16位智能控制器，參數顯示、通訊選擇和漏電、漏電閉鎖及短路、過載等保護。

變頻器作為一種電源變換裝置，它的輸出電壓和頻率是可變的，經過工業環境的帶載測試，加減速特性符合要求，系統運行穩定可靠，平均無故障時間達5000h,提供有數據顯示、圖形圖像顯示，故障記錄。速度控制精度開環達±0.5%，閉環達±0.1%，轉矩控制精度達2-4%，可選擇U/f控制或者矢量控制方式，低速起動性能優良。

過載能力可達 1.5 Ie（60S），1.8 Ie（10S），能夠滿足電機的起動需要和短時間過載的要求。

采用無速度傳感器的矢量控制方式（SVC），SPWM調制，這是目前主流的控制原理，輸出諧波進一步減小，提高了電機的運行效率和使用壽命。如果閉環控制，能提高控制精度和縮短系統響應時間，這在側重于速度控制方面是必要的，在力矩控制方面可以將輸出力矩提升到180%額定轉矩輸出。

自動電壓調整功能，短時的輸入電壓波動不會影響到輸出電壓。由于中間直流電路的儲能作用，快速的SPWM調制方式能使輸出電壓保持恒定。

變頻器的散熱裝置是熱管風冷，或者是水冷進行冷卻，加載試驗證明這兩種冷卻方式良好，根據應用現場不同可以任選其一。

1.3 變頻驅動中心基本配置的特點和優勢 ①優化了傳統的變頻器與電源的連接方式，設備直接對接，省掉了中間連接電纜和連接器的過程，使設備易于維護。②設備組成緊湊，占地面積較小，性能匹配合理，保護功能模塊式融為一體，提高了保護的速動性，靈敏性和可靠性，避免了冗余保護和誤動作。③同腔內的兩臺驅動單元既獨立又聯系和智能控制器是“變頻驅動中心”的核心，電磁兼容性好，可分別進行獨立的控制和操作，能適應不同的負載工況。④驅動中心有漏電、短路保護和漏電閉鎖、過載保護、過欠壓保護、缺相保護等。電氣和機械閉鎖保護安全可靠，高低壓有機聯動。⑤驅動中心電磁兼容性（EMC）符合國家相關標準。對電網和環境中的電子設備的影響小，同時，也能很好地抑制周圍其他設備對本設備的干擾和影響。⑥驅動中心人機交互采用鼠標和彩色，只要使用鼠標點擊選中的參數，就可對其操作。鼠標指針運行流暢平穩，鼠標設計美觀，便于使用。⑦變頻器本體主板上的通信控制功能（如：Modbus、Profibus-DP、Ethernet和光纖通信多種不同的通信模式），使用方便配置簡單。

1.4 變頻驅動中心應用 可應用于：①井下綜采工作面的刮板運輸機的驅動與調速控制；②膠帶運輸機的多點驅動與智能控制；③風機的驅動與調速控制；④水泵與壓縮機的驅動與調速控制。

2 皮帶輸送系統的功率平衡

2.1 沒有轉速-脈沖發送器的開環調節 對于開環調節方法（無轉速-脈沖發生器的情況），要測量給定電壓（Us），并將該電壓送給電壓調節器（PWM），調節器輸出相位差60°的驅動信號來控制逆變器，逆變器的輸出由電流變送器，將電流額定值（Is）回饋到電流調節器，核心控制器通過運算單元控制逆變器的頻率變換，逆變器輸出可變的電壓頻率。在變頻器的微處理器中存儲有U/f函數及矢量算法，用戶根據需要選擇需要的運行方式。典型特征是采用霍耳電流傳感器檢測定子電流或直流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但存在過補償或欠補償的可能，無法避免負載轉矩的變化影響轉速的準確度，這是開環控制系統的不足之處。但是近年來無反饋矢量控制性能在單機驅動的應用中，異步電動機的低頻機械性能已取得令人滿意的結果，對于在動態性能要求不嚴格，調速范圍又不很寬的場合，速度反饋可以不用。

2.2 具有轉速-脈沖發送器的測速調節（閉環調節）前節所述的轉速開環變頻調速系統可以滿足平滑調速的要求，但靜、動態性能都有限，要提高靜、動態性能，首先要用轉速反饋閉環控制。我們知道，電力拖動系統的基本運動方程式Te-TL=

提高調速系統動態性能主要依靠控制轉速的變化率dω/dt，歸根結底，調速系統的動態性能就是控制轉矩的能力。

由于式中 ωs=sω1，（ωs為轉差角頻率；ω1是定子電流角頻率）當電機穩態運行時，s值很小，因而ωs也很小，只有ω1的百分之幾到零點幾。在s值很小的穩態運行范圍內，如果能夠保持氣隙磁通Φm不變，異步電機的轉矩就近似與轉差角頻率ωs成正比。就是說，在異步電機中控制ωs，就和直流電機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉矩的目的。控制轉差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念。

上面分析的轉差頻率控制概念是在轉矩近似公式：

上得到的，當ωs較大時，就得采用下式（精確轉矩公式），

式中：ω1——同步角頻率（ω1=2πf1/p）；

Us——定子相電壓；

Rs——定子繞組電阻；

L1s——定子繞組漏電感；

L1′r——折算到定子回路的轉子繞組漏電感；

進一步進行數學分析可知，當Te達到其最大值Temax時，s 達到 smax值。取 dTe/dωs=0，可得

在轉差頻率控制系統中，只要給ωs限幅，使其限幅值為：ωs＜ωsmax=

就可以基本保持Te與s的正比關系，也就可以用轉差頻率控制來代表轉矩控制。這是轉差頻率控制的基本規律之一。上述規律是在保持Φm恒定的前提下才成立的。

我們知道，按恒Eg/ω（1Eg為定子電動勢）控制時可保持Φm恒定。由此可見，要實現恒Eg/ω1控制，須在Us/ω1=恒值的基礎上再提高電壓Us以補償定子電流壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時，恒Eg/ω1控制所需的電壓-頻率特性Us=（fω1，Is）。

上述關系表明，只要Us和ω1及Is的關系符合上圖所示特性，就能保持Eg/ω1恒定，也就是保持Φm恒定。這是轉差頻率控制的基本規律之二。

總結起來，轉差頻率控制的規律是：①在ωs≤ωsmax的范圍內，轉矩Te基本上與ωs成正比，條件是氣隙磁通不變。②在不同的定子電流值時，按上圖的函數關系Us=（fω1，Is）控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通Φm恒定。

這種調節方法的最大優點就是，與實際給定頻率無關，逆變輸出的電流或轉矩只與轉差率有關。是能夠提高系統的動態性能的。

2.3 帶有轉速-脈沖發送器的轉矩控制傳動裝置 在轉矩控制的變頻器中，轉速調節器的功能將被屏蔽。轉矩額定值與在轉速控制裝置中的轉速額定值一樣，是通過外設給定的。轉矩是由阻力轉矩和慣量共同產生，在起動狀態下，電機轉矩克服阻力矩，算法功能會根據電力拖動的數學模型計算產生一個實時負載轉矩。針對傳輸帶的運用情況，分機轉矩將由主機提供，分別給每一臺從機變頻器，從機根據計算做出轉速提升或者減小。由于帶有轉速-脈沖發送器反饋回來的數據沒有經過太多的軟件計算，而是直接讀來的，所以響應速度很快，低頻性能也得到改善。

2.4 皮帶輸送機對驅動滾筒的要求 為了延長皮帶的使用壽命，皮帶盡可能在整個長度方向受力均勻，皮帶運行過程中，不希望局部過于松弛或者過度張緊，對于驅動滾筒與皮帶接觸的部位更是如此。在圍抱角一定的情況下，如果兩個或者兩個以上的滾筒在系統運行中的速度不同，會出現皮帶與滾筒接觸部位的磨損程度不同，速度快的滾筒部位摩擦力大于速度慢的滾筒接觸部位的摩擦力，造成的結果是受力大的部位會對滾筒和皮帶造成很大的磨損甚至是過多的摩擦熱量燒毀皮帶和滾筒。同時也會出現部分滾筒不出力或者出力較小的現象，甚至頻繁出現能量回饋現象，這是由多種情況決定的。為此，解決多滾筒驅動的皮帶受力均衡或功率平衡是非常必要的，調速性能的優勢徹底解決了大的負載慣量對機械的、電網的沖擊，降低了皮帶的張力要求。

2.5 多電機驅動的皮帶輸送機 在皮帶長度方向上分布著多個驅動裝置時，需考慮，如：不相同的驅動滾筒直徑、不同的電機轉速等；不同的摩擦力，可能出現打滑現象；較長傳輸帶將出現一個與負載相關的慣性和緩沖性的彈性-弛張現象，這有可能導致振動現象。

解決這些傳動問題最好的辦法就是要設置主從機工作方式，還要考慮系統響應時間，比如比例系數，積分時間，和超前時間。一般的有效方法是轉速調節作為主機，其他驅動裝置跟蹤主機，即轉矩-跟蹤控制法。

通過調節從機變頻器轉速，就可以避免不均衡分布負載，在此期間，從機會定時受到來自主機的參考轉矩，從機的實時轉矩值將與該值進行比較，這將得出一個附加轉速額定值，并疊加到本機的轉速額定值上。例如，如果從機的滾筒直徑比主機的小，那么將會出現一個正的附加額定值，這時隨動裝置的轉速就可加快，使轉矩得到均衡。例如，從機0.98倍滾筒直經與主機的相同，這時就產生一個系數1/0.98=1.02，這個參數項解決了不同的滾筒直徑問題。

如上所說，在從機內的過程調節器進行主機轉矩和隨動裝置轉矩的對比。調節器的輸出可以是轉速額定值的一個乘數因子，以隨時改變轉矩值直至轉矩一致為止。同時也解決了電機的特性差異導致電流不均衡的問題，對此有專門的參數項進行設定。以便使皮帶受力均勻，延長皮帶的使用壽命。轉矩平衡是一種負載均等的分配應用，用于系統中同軸上有兩個電機或者接近于剛性連接的系統有多個電機時的應用場合。變頻器本體增加了轉矩平衡模塊，其中嵌入了轉矩平衡的程序和數學運算方法。

如果主機的給定量是頻率信號，從機給定量是電流或者轉矩。從機的參變量即參考頻率源來自主機，調整量是轉差頻率，輸出量是電流或者轉矩。從機的參考電流或者轉矩值來自主機，并通過控制器中的轉矩平衡模塊所選擇的功能予以實現多機平衡，這就是轉矩平衡的原理。這一過程的實現可通過內網絡，進行轉矩跟蹤調整，根據系統負載慣量的大小，主機向從機發送數據間隔時間在幾毫秒到幾十毫秒，通常根據應用現場進行調整，以便使動態性能良好。

容易實現運量的自動調整。快速的控制算法能滿足皮帶運輸機任何速度下的功率平衡，提高了動態性能。而且，驅動中心變頻器的功率平衡功能遠高于液力偶合器和CST系統，這要取決于變頻器的電子電力變換技術的良好的控制特性，因此，該技術自上個世紀80年代成熟以后，便得到了重視和應用。

3 電磁兼容性EMC

變頻器是電力電子設備，其輸入側是一個非線性整流電路，由于逆變開關的作用使輸出側的正弦波電壓或電流又含有豐富的諧波，因此，變頻器的運行既要防止環境對其干擾，也要防止它干擾環境，必須考慮電磁兼容（EMC）。電磁兼容性包括兩方面：EMI（電磁干擾），EMS（電磁耐受）兩方面。一個設備同時是干擾源和接受體。電磁干擾有三要素：電磁干擾源、電磁干擾傳遞途徑（傳導、輻射、耦合）及接受電磁干擾的響應者。人們將電氣設備分為發射干擾源和接受干擾體，電磁兼容性規定干擾源的干擾不影響被干擾體。

SPWM調制波中諧波主要是調制波基頻、2倍頻及其附近的諧波，容易濾除，只要在輸出側增加一個比輸入側小的電抗器就能達到較好的濾波效果。

整流器從電源中取得電流，其幅度與機器的負載狀況有關，似鋸齒波。它可以分解為一個基波電流和具有5-、7-、11-、13-…倍基本頻率的諧波電流。且諧波的幅值與諧波次數成反比。對于12脈沖輸入端電路，幾乎沒有第5、第7諧波。對于18脈沖還沒有第11和13諧波。

許多PDS（電氣傳動系統）在工業環境下（第二類環境）無濾波器都能正常工作，對其它的裝置和設備產生可見騷擾小。性能和成本應兼顧考慮，用于減少來自PDS發射的濾波器同時也降低了PDS的效率，并增大了設備的尺寸和成本，若經過裝置和設備內部的布局優化可以降低騷擾值，需對該裝置提出較高的設計要求。然而，為了減小來自PDS的發射而采用的高頻共模濾波方式往往會破壞配電網與地絕緣的這一設計原則，對電網系統的安全造成危害。所以，在中性點絕緣的供電系統中使用濾波裝置需要格外注意，對此，在設計變頻器時，應考慮這一因素。

4 結束語

以上從產品的結構形式、配置特點、產品原理框圖、產品的功能特點、EMC特性分析了變頻驅動中心，產品集成度高，可適用于高壓10kV或6kV的供電環境，可以配置兩臺500kW/1140V（及其500kW以下）的三相異步電動機，兩臺電機可分別控制，同時控制，可用于水泵、風機等負載類別，但是在帶式輸送機的應用領域，更能體現出設備高的性能價格比。占地面積小，外圍接線少，克服了不同廠家產品兼容性差的缺點，EMC性能優良。實際運行表明故障率比同等功率的變頻裝置降低50%左右，運行穩定性好。一次投資之后的維護費用將減少80%，大大提高了生產效率。

轉矩平衡是一種負載均等的分配應用，用于系統中同軸上有兩個電機或者接近于剛性連接的系統有多個電機的場合，在皮帶運輸系統的應用表明，不但延長了皮帶使用壽命2-3倍，也降低對皮帶性能和強度的要求，在節能和節約設備投資方面也非常突出，在日產量為2萬噸原煤的輸送機系統中，值得推薦使用，同時還考慮網絡化的集成方案，網絡兼容性好，能適應煤礦井下的光纖環網。

[1]張燕賓.SPWM變頻調速應用技術（第3版）[M].機械工業出版社，2005.

[2]吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊（第3版）[M].機械工業出版社，2007（3）.

[3]曲水印主編.電力電子變流技術（第3版）[M].冶金工業出版社，2002.