施耐德電氣變頻器用于永磁同步電機的現場測試

施耐德電氣 （中國）有限公司

施耐德電氣變頻器用于永磁同步電機的現場測試

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1 應用背景介紹

目前，施耐德電氣普通版的ATV61/71變頻器用于永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor 簡稱 PMSM）性能一般，尤其是對于凸極度較高的電機（Ld<

ATV630已經先行面世，其內部集成了開環同步電機控制的算法再次給我們帶來了希望。近期，STIE&GHD 和施耐德電氣先后在 MHP 的同步電機上做了現場測試，結果比較令人滿意。

2 應用測試一

2.1 試驗條件

負載為柱塞泵，這種泵屬于正位移容積泵，為典型的恒轉矩負載，流體的流量與電機的轉速成正比，與壓差關系不大。在壓差恒定的情況下，所需的功率與轉速成正比。在很多情況下，為了保證過載能力，需要將電機放大一檔選型，在匹配變頻器時，需要按照重載選型。

在本次測試中，所用柱塞泵的銘牌參數為 ：

Delta P=550mPa; n stages=1309-3481 1/min; Volume=11.0-35.6m3/min; Pin=14.97-43.33kW

電機銘牌參數為：

Un=370Volts,Freq=240Hz,n= 3600rpm,Pn=50KW,Nm=132.6,In=105A, Imax/In=145%,Eff=95.5%,Ins.Cl=F, Standard=IEC60034-1

最后所列標準表面其耐受電壓尖峰和 dv/dt 符合變頻器專用電機的要求。

測試所使用的變頻器為 ATV630HD55N4，V1.1IE03_B03

輸出能力為：

ND: Icont=106A, I trans=116.6A, HD: Icont=88A , Itrans=132A.

2.2 基本參數設置

（1）同步電機參數

額定電流nCrS=105A，額定轉矩TQS=132NM，額定轉速nSPS=3600rpm，極對數PPnS=4;功率nPr=50Hz，電動勢系數PHS=84(計算值)。

（2）應用參數

下限頻率LSP=87Hz，上限頻率HSP=227Hz，加速時間ACC=10s，減速時間dEC=10s，第二加速時間AC2=72 秒，第二減速時間dE2=72 秒，斜坡切換頻率Frt=10Hz。

2.3 電機參數自整定

進行參數自整定后，獲得如下電機模型參數：

直軸電感LDS=0.58mH，交軸電感LQS=0.829mH，定子電阻RSAS=34.4mOhm.

2.4 輕載運行

根據上述輸入參數和自整定的結果，電機可以不報故障地運行，但是電機電流略大；通過Modbus 監控參數RDAE（暫未開放，在下個版本有望作為標準參數開放），調整PHS的設置，使RADE 趨近于零，獲得最優的PHS值=60mv/rpm，電流最佳，如圖1所示。

圖1 PHS的調整運行特性曲線

從圖中可以看到，PHS的手動調整對運行電流的影響起到很大的作用，沒有手動調整PHS時， 起動瞬間電流達到電機額定電流的40%，穩定運行電流為電機額定電流的60%；手動調整 PHS后（使 RDAE 接近于零），電機起動瞬間電流降低到電機額定電流的15%，穩定運行電流為電機額定電流的50%，9%額定運行速度以上都是穩定區。

2.5 滿載運行

帶載運行，速度為額定速度的15%時，負載轉矩為65%，速度為額定速度的95%時，負載轉矩為 80%。如圖2所示。

圖2 帶載運行特性

由于電機相對于柱塞泵選大了一檔，所以即使柱塞泵滿載運行，電機的額定電流也沒有達到額定值。

從圖2中可以印證，柱塞泵負載基本上是一種恒轉矩負載，跟離心泵有著根本的區別。但即使如此，ATV630帶同步電機也很順利就將其起動起來，整個過程波瀾不驚。僅就這點而言，ATV630 比 ATV61/71 有了較大提高。

降速停機的過程也非常順利，由于降速較慢，所以整個過程電機仍然以電動機方式運行，幾乎是起動的反過程。

客戶對調試結果表示滿意，ATV630驅動同步電機調試簡單，運行可靠，相對于 ATV61/71在 這方面的表現有很大提高。

3 應用測試二

3.1 試驗條件

負載為螺桿式空氣壓縮機。目前標準機型為異步電機通過皮帶或者聯軸器拖動螺桿式壓縮機頭。但市場上有一個明顯的趨勢是采用一體化的同步電機壓縮機頭，它將同步電機和壓縮機頭同軸。由于永磁同步電機的體積小，噪聲低，能效高，而且它在不帶額外強制風冷的情況下，允許長期低速帶載運行，所以使得空壓機能夠不卸載或者少卸載運行，保證管網壓力的持續穩定。在專業展會上越來越多的廠家展出永磁同步電機壓縮機或者機頭，國內廠家也躍躍欲試，吸引國內外變頻器生產廠家配套試驗，意圖搶得先機。

（1）電機銘牌參數

Un=380V, Freq=155Hz, n=3110rpm, Pole Pairs=3,Pn=37KW,T n=114Nm,Imax=75A,EFF=0.94, Ins.CL=F, Rating = Class 1, Service Factor=1.15,

（2）設計參數

LD=0.53mH, LQ=1.046mH, PHS=86.6mH

被測試的變頻器規格為ATV630HD37N4, Icont=74.5A, Itrans=92.3A， Firmware V1.1IE01

3.2 基本參數設置

（1）同步電機參數 ：

額定電流nCrS=75A，額定轉矩TQS=114NM，額定轉速nSPS=3100rpm，極對數PPnS=3；功率nPr=37kW，電動勢系數PHS=100mV/rpm（計算值）。

（2）應用參數

下限頻率LSP=15Hz，上限頻率HSP=155Hz，加速時間ACC=30s，減速時間 dEC=30s。

3.3 電機參數自整定及空載運行

進行參數自整定后，獲得如下電機模型參數：

直軸電感LDS=0.518mH，交軸電感LQS=1.047mH，定子電阻RSAS=17.5mOhm.

將空壓機卸載，螺桿機頭處于處于空載狀態。

采用計算值PHS=100mV/rpm，變頻器報TJF（IGBT 過熱故障）無法起動，逐漸減小此值，當PHS=90mV/min時，變頻器可以起動，通過Modbus監視參數RDAE，細調PHS，使RDAE趨于零， 獲得最佳的運行效果。最終PHS=87mV/min。

跟現場測試一一樣，上述調試說明，參數RDAE應該開放為標準顯式參數。事實上，ATV32變頻器的同步電機模型經驗證控制效果不錯，而且其最新版本的固件已經將RDAE作為標準顯式參數作為調試指導。

空載運行電流如表1所示（P=0）表中進線電流通過數字萬用表測量。

表1 空載運行電流

這表明空載下：

（1）螺桿式空壓機是一個恒轉矩負載，電機電流幾乎與轉速無關；

（2）進線電流反映了從電網吸收的功率，基本與頻率成線性關系，與理論相符。

3.4 負載運行

負載運行時，變頻器和電機的運行狀況記錄如表2所示：

表2 變頻器和電機的運行狀況記錄

這表明負載下：

（1）在 30Hz 以上，在相同的負載壓力下，變頻器的輸出轉矩和輸出電流基本恒定，但是由于該空壓機是與車間其它試驗機一起工作，并非完全獨立，其負載壓力與流量之間的關系跟其它空 壓機和用氣負荷有一定關聯，所以即使出口壓力相同，不同時段變頻器輸出轉矩和壓力的關系并非一成不變。

（2）變頻器的輸出轉矩與電機電流基本成正比，說明變頻器對同步電機的模型算法相當準確，能夠客觀地計算出變頻器的定轉子磁場之間的夾角并保持恒定。

（3）變頻器的輸出電壓與頻率基本成正比，同步電機的定子磁場與轉子磁場相對獨立，受負載和磁場飽和的影響很小。

客戶對當前調試的結果滿意，認為ATV630調試簡單，運行可靠。現場參與調試的工程師均表示，原來ATV61/71僅僅適用于凸極度較小的電機，而對于凸極度大的電機，調試難度大，而 且不能保證成功。大家對 ATV6XX 的表現充滿了期待。

4 效果分析

測試現場一的永磁同步電機的銘牌見前述，異步電機的銘牌參數為：額定功率 Pn=50kW，額定轉速 nN=2970rpm，額定頻率 fN=50Hz，極對數 PPN=1，額定電壓；Un=380V，額定電流In=95A，能效等級 IE2（在 IEC 標準中，屬中等能效）。

用示波器觀察變頻器電源側的電壓（單相）和電流的波形類似，如圖 3所示。

圖3 變頻器電源側的電壓和電流波形

圖中，藍色的曲線為電壓波形，綠色的曲線為電流波形。

異步電機的測試數據為：Urms=233.6V，Freq=50Hz，Irms=69.67A，Active Power=45.93KW，COS(PHY1)=0.992，THDI=35.6%，引申計算出：Apparent Power=48.82KVA，Lamda=0.94，I1=65.49A

同步電機的測試數據為：Urms=233.6V，Freq=50Hz，Irms=68.22A，Active Power=44.7KW，COS（PHY1）=0.995，THDI=37.5%，引申計算出：Apparent Power=47.81KVA，Lamda=0.93，I1=63.45A

區別不是很大，電流諧波畸變率THDi均在 38%以內，綜合功率因數Lamda均在0.93以上， 同步電機比異步電機消耗的功率大約低2.7%，即節能2.7%。

考慮到數字示波器計算的功率不準，現場又用客戶的有功電度表實測了相同時間內二者的實際功耗，發現同步電機耗能11.96kW，異步電機耗能12.38kW，同步電機比異步電機節能 3.4%。

上述數據僅供象征性的參考，因為不同功率、不同能效等級的電機，運行在不同的負荷率，其效率是不同的，越大功率的異步電機效率越高，兩者效率的差別越小。但是有一點需要說明的是，測試變頻器驅動的電機的功率和效率，不能僅僅從變頻器的輸出電流即電機電流的大小來判斷，而應該從變頻器的進線側通過有功功率表或者有功電能表來實際測量獲得，因為變頻器經過交直交變換，除了能量守恒定律仍然有效外，輸入輸出側的電流，電壓都沒有直接的對應關系。