变频调速系统设计中问题分析

    1．变频器的效率与损耗    变频器效率是指其本身变换效率。就变频器的两种形式而言。交一交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交一直一交的，其工作原理是先把工频交流电通过整流器变换成直流，然后用逆变器再变换成所需频率的交流电。所以变频器的损耗有三部分组成，整流损耗约占40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗和逆变损耗小，根据参考文献提供的资料，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4%~96%，随着变频器功率增大而得以提高。    2．变频调速后电动机效率的变化    变频调速后，电动机的各种损耗和效率均有所变化，根据电机学理论，电动机的损耗可分为铁芯损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。    (1)铁芯中的磁滞损耗表达式为    Pn=σn(f/50)( B/10000)nGe    (9-14)    说明磁滞损耗与磁滞损耗系数σn、铁芯中磁通密度B、铁芯质量Gc及电源频率f有关。    由风机和泵类理论，其流量Q与所需电动机轴功率P与转速n的关系为    Q∝n；P∝n3；P∝Q3    (9-15)    变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少速度慢，损耗所占比例有所提高。    (2)涡流损耗    Pe∝af2    (3)轴承摩擦损耗    Pz∝f1.5    (4)风阻损耗    Pf∝f3    (5)定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率f没有直接关系，但高次谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。    (6)杂散损耗及附加损耗：不论何种形式的变频器，变频后除基波外，都会出现谐波，如比较多见的正弦波变频器(PWM)，其载波频率高达几千至十几千赫兹，这些附加的高次谐波，许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外高次谐波也会增加涡流损耗。    综上所述，变频调速后，电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。    3．变频调速设计中应注意的问题    (1)负荷匹配问题。机泵负荷最大节能是选用型号、容量与实际负荷相匹配，其中包括机泵与所配电动机的匹配，要避免“大马拉小车”，一般设计裕量应控制在10%以内。我国的工业系统设计，往往存在向上靠挡，层层加码，宁大勿小的现象，可以说，从工艺上提出流量时加系数，选机泵时再加系数，电动机选择还加系数，以致部分工业系统的机泵实际运行效率极低。如果在设计机泵负荷时加变频调速，以达到节能的目的，实际是增加了变频过程新的能源损耗和增加了投资。现在不少对变频调速的节能效益分析往往忽略了变频器的效率等，这种简单的理论计算，其效果是失真的。    在工业生产中，由于生产负荷变化、生产季节变化等，机泵负荷也不是恒定不变的，有时变化范围还是很大的，有些发电厂由于调峰需要，昼夜负荷变化也较大，而且机泵负荷在使用一年后，输出流量将比额定流量有所下降。对流量变化较大的机泵负荷采用变频调速效果是显而易见的，而且负荷变化范围越大，节能效果越好。    (2)高次谐波。变频器产生的高次谐波，会引起电网电压波形的畸变，而且是电网有效容量越小，变频器容量越大，这种影响越严重。这种对电网的污染，会使电力电容、电抗器、变压器容易发热，并产生电磁谐振，电动机、发电机产生附加损耗，继电器产生误动作等。各国对电压畸变和谐波控制都有相应的规定，我国GB12668 - 1990《交流电动机半导体变频调速装置总技术条件》中规定，电压畸变率小于10%，任何奇次谐波均不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%。使用变频器后，在电网局部会超过国标，所以一定要采取相应的措施。    (3)电动机选择。由于变频的载波频率较高，电动机绕组要承受较高的冲击电压du/dt。另外电动机效率下降，转速下降后产生的冷却效果降低，这些都是应该注意的。所以变频调速后，包括变频器和电动机损坏情况较多。如条件允许，可采用YTSP和YSG系列变频调速专用电动机。    由通用变频器构成的交流调速传动系统普遍采用标准异步电动机，采用PWM变频器对异步电动机供电时，定子电流中不可避免的含有高次谐波，电动机空载运行时的功率因数和效率将会更低，负载运行时的铁损也会有所增加。额定负载下电动机的电流增加约8%，温升增高20%左右，这对于长时间工作在满载或接近满载状态下的电动机而言是不可忽视的问题，故应适当加大电动机容量，以防温升过高，影响电动机的使用寿命。    通用的标准鼠笼异步电动机的散热能力是按额定转速下且进行自扇风冷考虑的，当恒转矩负载下电动机调速运行时，其发热不变但低速下的散热能力变差了，可采用另加恒速冷却风扇的办法或采用较高绝缘等级的电动机。    4．应用中问题对策    变频器电源侧和电动机侧电缆尺寸应保证最大电流时压降不超过额定电压的2%，弱电控制线与电源线分开布线，控制回路应采用屏蔽双绞电缆，以抑制外部干扰对系统的影响干扰。与变频器装在同一控制柜内的接触器、控制继电器线圈等，在必要时要并接RC浪涌吸收器，其引线不可超过20cm，对于由电源线引入的干扰可通过连接进线电抗器予以抑制。    变频器的供电设备的功率因数校正应选用功率因数校正DC电抗器，决不可在电动机侧连接补偿电容器。    变频器正式投运前应驱动电动机空载运行几分钟，可多选几点运行频率进行。同时注意检查电动机转向、温升情况及加减速是否平滑。    加减速时间的设定值应同时满足两方面的要求：一是设备控制的快速性要求，二是不应在正常的加减速状态下出现变频器过电流、过电压跳闸现象。实际调试中可使用临界值法设定，在负载状态下逐渐缩短加减速时间，得到临界跳闸的时间值，在此基础上放大10%~ 20%即可。这样不能满足上述两方面要求的，应考虑加大变频器容量或增加选用的制动单元，对于某些风机负载，启动时可能因为风筒中负压作用下电动机反转而引起过电压，注意与上述情况区别。这时可使用变频器的直流制动功能或转速跟踪启动功能防止跳闸的发生。    对于低速重载的恒转矩负载，启动时变频器经常出现过电流封锁，位能负载出现溜车现象。可判定为启动力矩不够，解决的方法是提高低频时的电压，从而补偿低速时的转矩。不可盲目调大转矩提升值（实际为低频电压补偿），否则低速时铁芯过饱和容易引起电动机异常发热。    变频器到电动机的电缆长度不能超过允许的最大布线距离(一般为100m)，否则电缆分布寄生电容过大，易导致变频器功率开关器件开通瞬间产生过大的尖峰电流。该尖峰电流将导致使变频器工况恶化，甚至损坏逆变功率模块。对于这一问题的应急措施，可以适当降低变频器的载波频率（出厂时已参数化，可人为调整），以增大分布电容呈现的容抗，减小尖峰电流，这时会使电动机的工作噪声有所增加，解决的根本措施是加装输出电抗器以补偿分布电容引起的尖峰放电电流。就电动机及其连线的接地故障而言，变频器本身无保护功能。对于工况比较恶劣的场合，必要时应选用接地错误检测单元。