變頻器在電機拖動中的應用分析

阿特拉斯.科普柯(無錫)壓縮機有限公司 袁建清

在節能高效等技術發展和需求，以及降本增產的趨勢下，變頻器在工業自動化領域的應用已經非常普遍。相應的對于變頻器的技術和應用的要求也越來越高，通常變頻器的控制模式也非常多，主要有V/F、矢量、DTC，通常根據具體的應用需求選擇合適的控制方式。

本文則通過實際案列，介紹變頻器的一個特殊應用及問題分析——變頻器啟動，旁路運行應用選型和問題分析。

1 應用背景

1.1 變頻器應用

當今通用類風機、水泵等設備，出于節能的考慮，變頻器驅動應用已經很普遍，變頻器一般都具有一定的短時過載能力，可以達到120%，持續1min，因此對于這類負載在選型時，只需選擇稍大于電動機容量的變頻器即可。

結合到具體的應用，還需考慮實際工藝、應用方式和場景等，涉及到的一些因素，如系統慣量、負載轉矩、設備的固有屬性、共振和允許的起停時間、加速響應等，這時就需要結合這些需求，重新計算考量，選擇合適的變頻器。

1.2 項目背景

設備是一臺離心式壓縮機，由于客戶電網的容量問題，因此選用一套變頻器來作為啟動器，啟動完成后切換成工頻運行，因此總包商可以根據設備商提供的整機電機和負載參數以及性能曲線選擇合適容量的變頻器和工頻高壓配電柜。

1.3 基本數據

本項目中驅動和負載的基本數據如下：

主電機的基本數據是：TECO/AEZW-S2 4500 kW 10kV 4P 50Hz DOL IC81W IM1001

電機啟動和運行性能數據如表1，電機的T-N&I-N 曲線如圖1（圖中黑色點劃線為負載阻轉矩曲線），電機和負載的基本參數如表2。

圖1 電機T-N&I-N 曲線

表1 電機啟動和運行性能數據表

表2 電機和負載的基本參數

2 變頻器應用

2.1 基本原理[1]

在本實際案例的高壓變頻器應用中，并不是直接將高壓接入到變頻器的輸入端，而是通過移相隔離變壓器將高壓電降為合適的低壓，再供給每個功率模塊，構成多級移相疊加的整流方式，這種方式可以很好的改善電網的電流波形，在不用任何功率因數補償、諧波抑制裝置的情況，負載情況下的網側功率因數可接近1。

移相變壓器副邊繞組采用延邊三角形接法，每一組副邊單獨給變頻柜的每個功率單元供電，且與對應的功率單元之間互相絕緣。功率單元采用大功率器件，結構上每組完全一樣，可以相互替換。系統結構采用三相橋式二極管整流，IGBT 單相逆變PWM 控制電路。

功率輸出結構上采用單元串聯多電平技術，根據相應的電壓等級采用對應級數串聯的方案，通過每個單元的U、V 輸出端子相互串聯而形成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM 波形進行重組，得到滿意的PWM 波形，降低了dv/dt，也減少對電纜與電機絕緣的損壞，在沒有輸出濾波器情況下加長了輸出傳輸距離，同時極大的降低了電機的諧波損耗，因此基本消除了由諧波引起的機械振動，減少了軸承的機械力。每個功率單元的工作原理如圖2所示。

圖2 單個功率單元原理圖

2.2 選型計算和問題分析

下面對變頻器和變壓器容量的計算分別按照兩種角度來考量和分析，并通過實際啟動和運行狀態曲線分析。

2.2.1 根據實際負載計算

根據實際負載的角度出發，這個方法的計算直接根據負載的大小，從啟動和加速的角度直接考慮最小容量需求。

根據上文中圖2和表1的基本數據，基本的計算過程如下：

電機額定轉矩Te=9550×（Pe/Ne）=28842 (Nm)起動時負載最大轉矩MZK=1200 (kgm)

變頻器最小功率需求Pmin=MZK×（Ne/9550）=1834(kW)

考慮變頻器的余量Pe=2000(kW)(放了約1.09的倍數)。

移相變壓器的設計容量2500kVA。

起動時間復核，按照采用勻加速方式起動，加速轉矩為0.1Me來計算

采用0.1Me勻加速起動，起動時間76(s)小于最大允許啟動時間150(s)，滿足這項要求。

計算結果：根據上述的計算，得到的最小容量的變頻器的結果見表3。

表3 方法1的計算結果

根據實際運行情況分析，上述計算方法，選型和配置出來的啟動柜，通過實際拖動負載空載啟動(啟動完成后切換工頻正常工作運行)，來檢驗選型是否合理。

驗證的結果是：在測試時起動運行了5次，都因起動過程中機器產生的共振太大，手動安全停車。

起動過程中電機電流和振動曲線如圖3（由于記錄的最小時間是1ms，因此，尖峰沒有顯示出來）。

圖3 電機電流和機器振動曲線1

為了更好的分析啟動過程振動，用儀器測量轉速與振動的曲線，找到振動最大的位置，從圖4可以看出共振最大出現在轉速1148r/min 處，對應于變頻器的輸出頻率在36Hz 處。

圖4 轉速和振動曲線圖

通過分析幾次啟動的電流和振動曲線分析，由于選型計算時對于額定容量的余量放的較小，啟動負載轉矩隨著轉速的升高而變大，加速度也會相應的改變，為了快速的通過共振區域，設置快速通過40Hz 附近區域。如圖5所示。

圖5 電機電流和機器振動曲線2

嘗試通過調整和優化加速時間，效果均不明顯輸出電流受限，在接近額定轉速時受限于最大流的限制(額定電流125A，最大工作電流150A)，沒法快速通過共振區域，如圖5。

通過分析發現上述方法1由于在計算驅動器容量時沒有考慮到共振區域的問題，因此在計算容量時只考慮了最小的勻加速啟動和啟動時間的問題，導致在需要快速通過共振區域時輸出能力不夠。進而通過計算優化，將相關因素都考慮進去以及額外裕量來解決起動過程出現的振動問題。

2.2.2 根據電機功率估算和優化計算[2]

下面將通過一般經驗法和優化計算的方法來調整和優化前面的計算

在一般情況可以簡單的根據電機的T-N，I-N，負載轉矩曲線和電機功率直接根據負載特性以及考慮到設備的不同工況，電機在選型和考慮啟動轉矩和啟動時間的時候已經考慮到了所有折算到電機軸上的負載轉矩，以及需要的啟動時間等方面的因素了，因此可直接按照電機功率的55%-60%來簡單選擇空載啟動器的容量。

若考慮上面負載計算方法時，將所有的負載轉矩都考慮進去，電機力矩包含動態力矩分量和負載力矩分量[3]，即：T=Tdyn+Tload

動態力矩分量，Tdyn[Nm]=J[kgm2]×（2π/60）×（Δn[rpm]/Δt[s]），動態力矩影響電機轉速，根據這個總力矩計算出需要的功率，然后可以根據下面的公式凡推算出對于各段的加速時間，公式為：Δt[s]=J[kgm2]×（2π/60）×（Δn[rpm]/Tdyn）=J[kgm2]×（2π/60）×〔Δn[rpm]/（Tn-Tload）〕

若全程考慮電機動態力矩，按照上面計算的76(s)考慮，則Tdyn=2592.9(Nm)

繼續按照上面的算法，變頻器最小功率需求為：

Pmin1=（MZK＋Mdyn）×Ne/9550≈2239(kW)

根據這個最小功率，動態力轉矩以及負載轉矩，可以根據公式算出通過30-40Hz 區間的平均加速時間，如果每段都是用負載力矩的平均值，根據電機T-N 曲線上的負

載轉矩曲線，算出這一段的負載平均力矩約為：Tload=（700＋1000）/2=850[kgm2]

根據公式得：Δt[s]=J[kgm2]×（2π/60）×〔Δn[rpm]/（Tn-Tload）〕=1263×（2π/60）×（300/6020）=6.5[s]

若考慮到快速通過共振區，還按照勻加速的方式，將加速時間縮短為45(s)，一個比較合理的時間，則Tdyn=4379.18(Nm)，相應的計算出變頻器的最小功率需求為：Pmin2=（MZK＋Mdyn）×（Ne/9550）≈2518(kW)

繼續根據平均力矩計算共振區間段（30-40Hz）的平均加速時間：

Δt[s]=J[kgm2]×（2π/60）×〔Δn[rpm]/（Tn-Tload）〕=1263×（2π/60）×（300/7808）≈5[s]

根據實測將變頻器容量增大到2500kW，能較快的通過共振區，成功的空載啟動然后切換旁路。

通過計算和試驗結果，發現了前面計算和初始數據兩個方面的問題。首先計算的問題，計算時應該將所有負載都考慮進去，或者直接參考總的拖動電機的額定數據來分析；其次初始數據的問題，經過多次核實發現初始數據中負載空轉最大阻轉矩已經被放了額外的約10%的裕量，這才會出現前面的僅按照負載計算，加上變頻器的過載能力，若不出現共振也能正常拖動啟動。

3 結語

通過這次實際項目應用，首先獲得了更多和更直接的一手資料，并對變頻器選型計算和應用有了更多的實際數據的驗證和支撐，同時驗證了經驗法和計算數據的相互印證，為今后的應用提供了理論和數據的支持。在設計和應用時，應該結合設備的實際特性和工藝的應用需求來通過恰當的方法選擇合適的變頻器。