變頻調速技術在工業大型電機上的應用設計

吳震　張文磊

【摘 要】本文針對大型電動機變頻器的選用在設計中需要考慮的問題進行了闡述，討論了電動機的問題、電纜的問題及廠房接地等方面全面的進行了分析思考，并給出了比較穩妥的設計方案，在可靠性要求較高的場合有著重要的參考意義。

【關鍵詞】循環水泵；變頻器；設計方案

0 引言

自20世紀70年代以來，隨著電力電子技術、交流電動機調速控制理論等一系列關鍵技術的發展，交流電動機變頻調速技術逐步成熟。在電氣傳動領域，變頻調速系統因效率高、性能好已成為主流。在國家倡導的節能減排、綠色環保等戰略背景的推動下，變頻器產業具有非常巨大的市場潛力。

目前，變頻調速技術的應用已經擴展到了工業生產的各個領域。廠礦、石油、輕紡、化工等風機、泵類負載，鋼鐵工業中的高爐鼓風機、冶煉除塵風機、傳送帶和水泵，牽引（包括船舶推進）、油氣輸送都大量應用了變頻技術。

隨著生產技術和制造工藝的發展，采用電力電子變換器的調速傳動系統在電氣傳動領域應用的也從1995年兩千千瓦擴大到今天的十幾萬千瓦，由于大型電動機在生產中的重要性較高，停機會造成較大的經濟損失 所以此類電機選用中壓變頻器的考慮與低壓變頻器有所不同，本文就大型工業電機變頻器的選型和設計結合自己工作中的實際例子談下應該注意的問題。

1 大型工業電機調速變頻器的應用方案

在變頻器應用的范圍越來越廣泛的同時，功率也由于設備要求越來越大，由此廣大的電氣設備設計及使用人員就產生了一個問題，由于功率比較大的設備往往是在本電氣系統中擁有重要地位的設備，這就對其可靠性有相當高得要求。選用變頻器固然可以更加方便快捷的完成無級調速，從而更加符合各種工藝對于電機速度的要求。但是增加的變頻器又是一個包含眾多電力電子器件的十分復雜的電氣系統，其可靠性對于系統的安全評估十分重要，因此會引起運行維護人員對與系統安全的擔心。

變頻器設備制造商在這個問題上采用大量的先進技術來改進和保障設備的安全運行。通常來講，評價變頻器性能的主要指標有可靠性（變頻器行業內的叫法）、網側諧波污染、輸入功率因數、輸出諧波、系統效率等。

作為設計人員為了保證設備的萬無一失可以在電氣主接線中采用旁路來提高系統的可靠性。本文以某大型核電廠的循環水泵的設計方案為例來簡要闡述下旁路變頻設計方案。

在江蘇某大型電廠二回路的循環水泵，由于工藝的需要進行調速，該循泵電壓6.0kV，功率5600kW。經過調查研究目前國內市場上的變頻器的發展狀況和安全可靠性能，最終決定采用變頻器加旁路的方式實現循環水泵的調速。

旁路方案即指在變頻調速的基礎上輔以工頻旁路以備變頻器故障切換。這里要保證變頻和工頻的互鎖，有些變頻器由幾組變頻部件完成，當某些部件故障時可以臨時降低功率運行，不會造成系統直接停機，只有當變頻完全損害時可以由工頻供電。其主接線如圖1示。

系統設置兩臺臺高壓斷路器，變頻器前設置一臺負荷開關。變頻運行時，斷路器KA1，KA3閉合KA2打開，工頻運行時KA1、KA2閉合KA3打開。循環水泵的電機采用適合變頻器要求的異步電動機，電機與循環水泵通過齒輪箱連接。齒輪箱保證循環水泵在變頻器故障切換至工頻運行時，循環水泵仍能在工藝可接受的轉速范圍內運行。

變頻器故障時，水泵系統切換至工頻運行的方式分為自動和手動，具體采用何種方式需根據實際需要和工況確定。在切換時，雖然電機定子側的磁場能量在分閘瞬間已經釋放，但電機轉子側的磁場能量由于自身成一回路，其能量消耗需要一定的時間（一般為1～3s，與電機容量有關），此時轉子的磁場會在異步電動機定子側感應出電動勢，當同步檢測單元檢測到電動機的感應電壓的衰減到允許范圍后，給出的切換命令或信號，由設定的自動操作裝置或人員手動切到工頻運行。更為可靠的切換電路是采用同步檢測單元和ATS雙電源切換開關，因為ATS自帶的機械聯鎖對于實現電路切換更為可靠。一般來講，由于慣性在斷電的間隙循環水泵會繼續運行，切至工頻后循環水泵即可進入穩定運行狀態。

2 大型電機用變頻器在電氣設計中的應注意的問題

在變頻器帶來一系列控制領域的進步的同時，變頻技術應用到傳動中也產生了一些工程技術問題需要我們引起注意，并且有的需要及時進行防護和解決。

2.1 選型原則

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，再考慮經濟效益。

變頻器根據其結構特點分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器，一般情況下這兩種類型的變頻器都可以滿足各類變頻要求需要，具體的使用要結合各自的特點和設備的具體情況來定。

這兩類變頻器可根據控制功能可將通用變頻器分為三種類型：a.普通功能型V/f控制變頻器；b.具有轉矩控制功能的高性能型V/f控制變頻器（也稱無跳閘變頻器）；c.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（T∝n■），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。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。所以要首先明確自己的負荷要求再來選擇變頻器的類型。

2.2 變頻器容量的選擇

變頻器在確定了功能類型之后選擇容量，選擇容量要注意以下幾點：

（1）要根據機械對轉速（最高、最低）和轉矩（起動、連續及過載）的要求，確定機械要求的最大輸入功率（即電機的額定功率最小值）。

（2）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最大速度。只有當同步轉速與調速范圍相差較大抑或不經變速箱輸出轉矩無法達到要求時才會加齒輪箱以保證工頻時電機的運行速度滿足工藝轉速要求。

（3）變頻器容量大多可從三個角度表述：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：

一般情況下變頻器的功率比電動機功率大10%足以滿足電機的電能需要，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。

2.3 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。如條件允許，可采用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。

2.4 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

a.變頻器的進線電纜由于是變頻器與電網連接的地方，很容易收到變頻器諧波的影響，為了防止電纜中高次諧波對電網側的各種保護產生誤動作，宜采用屏蔽動力電纜。

b.變頻器的輸出電壓中確實含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，由于磁通能量變化引起轉矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。變頻器輸出電壓還因V/f特性的關系，在低頻時輸出電壓很低，因此必須重視變頻器與電動機之間的導線壓降，變頻器與電動機之間的導線不宜過長，導線的線徑除滿足載流量外，還要求導線壓降不大于實際工作電壓的2%左右。

c.控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。

d.電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90°角交叉。與變頻器有關的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。

（3）大功率電機的變頻器的接地問題

對于小型小功率的電氣控制系統，如果系統地線與保護地線不分，系統還是可以正常工作的。但是，對于如軋鋼機、集裝箱提升設備等用高壓大功率變流裝置，系統抗干擾能力和安全保護可靠性的要求尤為突出，必須實施系統地線與保護地線的分離。

系統保護地母線一般采用與廠房鋼結構連接而實現良好接地，而對于整個控制系統的系統地及屏蔽地通過地線匯流排連接至符合標準的單獨接地極接地。地線匯流排一般要采用25m㎡以上大截面絕緣導線或鍍絕緣漆銅排，以保證一點接地。此時要注意屏蔽的接地電極與變壓器N線等其它強電設備接地電極的距離大于15m。變頻器正確接地是提高系統穩定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好。變頻器的接地應和動力設備的接地點分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地。

3 綜述

綜上所講，變頻器隨著技術發展正在大功率設備的傳動領域發揮著越來越大的作用，我們為了應對各種越來越高的工藝要求，設計出好的電氣方案，就要對高壓變頻器的特點和出現的問題進行詳細的了解和掌握，本文根據筆者自己的工作中碰到的一些問題進行了歸納和總結，希望對各位同行的以后的工作有所助益，亦為拋磚引玉望能得到各位專家前輩的批評指導。

【參考文獻】

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[Z].4版.

[責任編輯：楊玉潔]