變頻器的容量選擇及應用分析

原康康

（山西晉煤集團， 山西 晉城 048006）

1 變頻器容量的概念

根據變頻器的工作原理，本節通過變頻器在工作過程中的能量流動變化情況來闡述其容量這一概念。

1.1 加速或者恒速運行過程

在電機的增速和恒速工作過程中，變頻器輸出端的電流值可視為其效能，即作為供電電源能夠為電機提供的電流值，如圖1所示。在實際應用過程中，變頻器的實際效能是由內部元器件決定的，最終體現為效能的是其電流值。

圖1 能量流動示意圖

1.2 減速運行過程

在減速過程中，與變頻器相連接的電機變成了發電機，負載端的動能可以通過變頻器轉換為電能，因此，能量由電機流向變頻器。此時，根據變頻器的不同類型，可以將電能反饋到電網，或者通過電機和變頻器消耗掉這些電能。如果是四象限變頻器，那么負載端返回的能量也升高變頻器內部電容兩端電壓值。

2 容量選擇的要點

變頻器的容量選擇需要考慮的因素有電機容量、操作方法、操作模式等。

2.1 電機容量

變頻器的控制模式會對變頻器的工作性能產生影響：V/f模式下，低頻區的輸出扭矩比工頻時扭矩小，同時會使電機的溫度升高。

2.2 操作方法

電機電流值之和必須小于變頻器的額定電流值，這是進行變頻器容量選擇的第一要素。通常的操作方法如下：

1）單臺變頻器驅動多臺以上電機（同時驅動和順序啟動）。

2）單臺變頻器驅動單臺電機。

3）變頻器既可以驅動單臺電機也可以驅動多臺電機。當采取一拖多（一臺變頻器驅動多臺電機）時尤其需要變頻器具有較高的制動，這種方案的經濟性很差，同時會由于操作方式的變化，造成變頻器容量和驅動方式的不匹配。當采取一拖多（一臺變頻器驅動多臺電機）時，變頻器內置的過流保護功能將失效，必須在各電機上額外安裝熱保護繼電器。當電機長時間處于低速運行狀態，其發熱量會大大增加，必須額外安裝溫度檢測器，對電機進行保護。

4）當采取一拖一的方式，便可選擇矢量控制方式。矢量控制是根據測量到的電流、電壓和磁通等數據，結合電機內部的電阻電感等參數計算出當前的轉速和位置，并進行必要的修正，從而在不同頻率下運行時，得到更好的控制模式[1]。

2.3 操作模式

負載要求加減速的時間也會對變頻器容量選擇產生影響，因此在進行容量選擇時，不僅要考慮電機的工作電流，還要考慮設備所需要的加減速時間。例如，在提升機或者機床等應用場合，選型之前，要充分的考慮實際應用中的各方需求。

電機的基本操作模式分為啟動、加速、恒速、減速及停止。每一階段的選擇要點如下頁圖2所示。

2.3.1 啟動

在電機的啟動點，需要滿足的條件是：電機輸出扭矩大于負載扭矩。如下頁圖3所示，變頻器的輸出曲線中存在死區，在0～A之間，電機不動。在A點處，頻率必須要小于最大啟動頻率，否則電機無法啟動。

圖2 操作模式與扭矩

圖3 電機啟動

2.3.2 加速

在加速過程中，電機的輸出扭矩要大于加速時所需的扭矩。加速一般有線性加速和非線性加速兩種方式。線性加速的特點是沒有失速預防，而非線性加速能夠通過電流的限定達到預防失速的功能。通常所采用的加速方式是非線性加速。加速時的能量流動如圖4所示。

圖4 能量流動示意圖

2.3.3 減速

減速過程即為制動過程，由電機損耗和變頻器損耗決定。其確定方式為：如果所選擇的變頻器具有內部制動功能，則制動扭矩由變頻器的損耗決定；反之，則由電機的損耗決定。為提高制動扭矩，可在選擇具有制動功能的變頻器的基礎上增加變頻器容量。

如果所需的制動容量較大，那就應當選擇能量返回模塊或者選擇內置能量返回功能的變頻器，能量返回的作用是將制動過程中產生的能量返回到電源端，同時在電機減速過程中提供制動力。

制動過程中，變頻器返回的能量全部由制動晶體管所消耗，因此，若要求變頻器有良好的制動扭矩，在制動過程中制動電阻的溫升會比較大，需要實時監測其溫升，防止其因過熱而損壞。制動扭矩由制動電阻值決定，同時還決定了制動過程中的再生電流值，該電流值持續作用在制動電阻上，會造成制動電阻大量發熱、溫度升高，甚至超過其額定溫度，對變頻器造成損害。因此，對于提升機類產品，應當核算驗算制動模塊的熱容量，并且可通過增加制動模塊提高變頻器的制動能力。

2.3.4 電機溫升

影響電機溫升的因素主要有兩個，一個是運行方式；另一個是電機自身的材料。電機的運行方式有兩種：連續運轉和周期運轉，電機自身的材料決定了電機本省的耐熱能力。

在選擇過程中，小容量標準電機可以選擇E級和B級，中等容量電機可以選用F級。當環境溫度很高時或者要求不改變電機的尺寸而增加扭矩時，可選用高絕緣等級的電動機[2]。

3 變頻器容量應用情況分析

晉煤集團趙莊煤業5311工作面進風順槽，原煤輸送方式采用皮帶機輸送，根據順槽長度和皮帶機型號，分三條1.4 m皮帶機輸送，皮帶機之間采用前后搭接的方式。中間皮帶機采用了變頻驅動系統，皮帶機長度約1200 m，總體為1.5°下坡布置。系統由3臺變頻器和3臺電機并聯驅動，系統框圖如下頁圖5所示，驅動方式為主從驅動，滾筒1的變頻器作為主機，與電機相連后，安裝在滾筒的一端；滾筒2的左右兩側分別安裝了1套變頻器和電機作為從機驅動；從機與主機共同分擔負載。從機在運行過程中，可以接收主機和主控器的信號（包括轉矩信號和速度信號），與主機同時工作，這種工作方式可以在重載啟動、急停等特殊工況下，保證整體系統在轉速、扭矩理想曲線的精確控制（如重載啟動、急停），多機功率平衡，減少沖擊。皮帶機滾筒采用電機直接驅動，皮帶機滾筒轉速為66.5 r/min，啟動過載為三倍額定轉矩，持續時間不超過1 min。

系統中電機容量為400 kW×3=1200 kW，單臺變頻器驅動單臺電機，最大啟動過載為3倍額定轉矩，因此選用的變頻器可滿足工況要求。

4 結語

在煤礦生產過程中變頻器已經成為一種新型的驅動方式，可保證電機等設備的合理穩定運行，大大提高設備運行效率，降低能耗。根據設備的電機容量、運行方式確定變頻器的容量、操作方法、操作模式，能夠大大提高設備在重載啟動、急停等工況下的控制精確性，提高設備運行穩定性，滿足煤礦生產需求，保證礦井綜采工作面安全高效運行。

圖5 皮帶機驅動系統框圖

[1]尹伊.淺析變頻器在工業中的應用[J].黑龍江科技信息，2010（13）：113-115.

[2]張孝紅.變頻器原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2010.