变频器、电机与负载的匹配问题

概述：

众所周知，变频调速具有可靠性高、调速方便、保护完善和节能约耗等诸多优点，因此在一般调速场合，变频调速已经成了绝大多数用户的第一选择。但是，新技术也会遇到新问题，本文想就我在实际中遇到的变频器、电机与负载的匹配问题分析如下，谨供大家参考。

问题：

我厂生料磨系统有一台φ2.8旋风选粉机，原主轴采用立式直流电机经皮带盘减速后驱动。2000年由于磨机系统改造，产量增加，电机负载能力不足，将其改造成变频调速，当时选用了安川616G5 45kW变频器（恒转矩）和45kW4极立式电机，改造后变频器运行频率约14-17Hz，基本满足要求。

今年年初，因工艺要求，该电机需要提速至约20.8-24.3 Hz，但速度提升至18 Hz，变频器输出电流就达到80以上，一旦提升至19Hz，电机已经超电流，温度也明显上升，系统已经无法正常运转。

方法：

一。如何打破这一瓶颈？将原有传动系统的速比加大1.5到2倍？原有大小皮带盘直径为660、220mm，现场条件并不具备。如何提速，有厂家将其更换成了55kw6极电机和55kw变频器，是否必要？笔者经过认真分析，提出了不同的看法。

以下是我厂相关技术参数：

1、电机具体技术参数：

型号：Y250M-4 45kW

Pe=45KW，Ue=380V，Ie=84.2A，ne=1440转/分。

2、希望电机转速提升至600-700转/分（20.8-24.3Hz）。

3、变频器运行状况：

频率

Hz转速

转/分电流

A功率

1441460≈11

17.551870-80≈16

18.553280-85≈18

笔者认为：即使在18.5Hz，变频器的输出功率仅为18kW左右，相关的选粉机手册说明，该电机功率与速度关系为：P=kn2.0-2.3 ，在K值一定的情况下，速度即使提升至750转/分（26.04Hz），参照计算所得功率最大也仅在36kW左右，这种情况应当是电机选择不合理所致。

根据电机的功率计算公式：

P=T*n/9550

二。我们算得45kW 4极电机的额定转矩和不同Hz数下的转矩如下：

Te=45*9550/1440=298.4Nm

T14=10*9550/414=230.7Nm

T17.5=15*9550/518=276.5Nm

T19=18*9550/560=306.9Nm

其中T14

在750转/分(26Hz)的情况下，转矩要求是多少呢？

同样计算可知：

T26=35*9550/750=445.7Nm

T26=1.49Te

以上计算表明，电机在19Hz左右输出转矩已经小于设备需要的力矩，此时变频器为了维持频率，必然要提高输出电压，这样一来，电机超额定电流不可避免。

除了选择新电机，保证Te /> T26，别无选择。

我筛选了表中下列电机：

型号额定转速

(转/分)输出力矩

(Nm)注

Y250M-4 55kW1440364.8

Y280S-4 75kW1440497.4>T26电机过大

Y280S-6 45kW980438.5

Y280M-6 55kW980536.0>T26符合要求

Y250M-8 30kW740387.2

Y280S-8 37kW740477.5>T26转速相近

Y280M-8 45kW740580.7>T26转速相近

由表可见，55kW6极、37kW8极和45kW8极三台电机较符合要求，考虑到变频器容量较大，且为保险起见，我们最终选用了45kW 8极电机。经过一段时间运行，发现效果非常理想，在以下是改用8极电机后测定的参数(带料运转条件下)：

运行频率(Hz)电机转速

(转/分)变频器输出

电流(A)电压(V)功率(kW)

35.0051856.0281.317.0

40.0059259.6320.920.1

50.0074062399.032.3

（以上数据，除电机转速均从变频器上直接读取）

小节：

该电机额定电流为93.2A，现电机最高运行电流仅为额定值的66%，因电流低、速度高，电机的温升大约只有原来的一半左右。现在的运行状况，不论是通过减小速比，将主轴转速提高10%，或者继续增加主轴负载，系统均能提供较大空间。

通过负载特性和电机特性的综合分析计算，我们通过较小的投入挖掘了设备潜力，使得变频器、电机与负载得以良好的匹配，改善了工艺条件。

三。一般来说，具有运行稳定、高效节能、自动化程度高易于操作等优点高性能控制系统的主要构成部分包括变频器、软启动和可编程控制器。然启动器在高性能控制系统中的作用就是使设备开启，停止的过程更为平稳，避免了“水锤” 的效应，进而节省投资，降低成本，并获得设备性能的大幅度提升。在大中型水泵中这一技术具有很大的推广价值。

通常供水设备的控制系统是由变频器、控制器、低压电器及压力传感器组成，可完成对供水压力闭环控制，当供水管网流量变化时，通过调整变频泵的转速和改变投入运行的水泵台数，可达到稳定供水管网出口压力的目的。图1所示是一个典型的恒压变频供水系统框图，此控制系统的控制对象是供水管网出口压力，由压力传感器采集供水管网出口压力信号，将此压力信号与设

定压力信号进行比较，其差值进入CPU进行PID运算，运算结果控制变频器的输出频率及输出电压，使水泵转速能随着供水管网压力的波动而不断的变化,从而使管网出口压力稳定。如果管网流量变化大,当只调整变频泵的转速不能

满足管网出口压力稳定要求时,则由控制器发出指令，通过改变投入运行的水泵台数来满足稳定管网出口压力要求。在上述过程中,当变频泵达到最高设定转速时，说明管网用水量大,只靠调整变频泵的转速已不能使管网出口压力稳定，在经过一定延时后，如果此泵仍然在最高设定转速运行，控制系统就要启动一台水泵，在水泵容量较大的供水系统中，往往采用一项叫作“循环软启动”的技术，即将变频器带动的正在全速运转的电机交给电网，变频器再带动下一台电机变频启动，目的是减少启动过程中的机械和电气冲击。这项被称为“循环软启动”的技术存在着一个致命弱点，因为在此过程中刚脱离变频器的水泵在惯性作用下高速旋转，电机转子中还有较大的电流，由此电流形成的磁场在电机定子中感应出较高的电压，此电压与电网电压不同频率、不同相位，因而此时不能立即将此电机合到电网上，一般方法是根据电机容量大小，确定一个延时，要等转子电流衰减到一定值以后，才能将此电机合到电网上，然后变频器带动下一台电机运行。如在上述，从变频器脱开的电机要经过一定延时后才能并入电网，对于中型电机此延时大约是1-2秒钟，在此期间，水泵失去了动力，并且水的位能阻止水泵继续旋转，水泵转速下降很快，当此水泵电机并入电网时，电机转速已降的很低，当将此电机并入电网时将产生较大的电气和机械冲击。如果电机从变频到工频切换过程处理不当，会给电网及供水管网造成重大事故，所以许多专家在大中型供水设备中不主张采用这项“循环软启动”技术。变频与工频平稳切换，已成为大中型供水设备中迫切需要解决的问题。

为解决以上问题，现采用另一项电力电子产品“软启动”器，它基本原理是改变晶闸管的导通角改变输出电压，使电机在启动和停机过程中，端电压可以按照预先设定的方式逐渐变化，从而使启动和停机过程平稳。如果是启动一台电机，软启动将逐渐增大晶闸管的导通角，使电动机端电压逐渐升高，水泵平稳升速完成启动过程。如果是关闭一台电机，软启动内的晶闸管的导通角将由大逐渐减小，逐渐降低输出电压，使正在运转的电机平稳停机。高性能的软启动及控制系统允许用一台软启动顺序带动多台电机完成软启、软停操作。比如启动1#电机,软启动晶闸管的起始导通角为零,将KM11闭合，然后软启动晶闸管的导通角由小变大，电机端电压逐渐升高到电网电压，

一台软启动实现多台电机软启、软停控制主电路图电机可较平稳升??频率，同相位,软启动器的晶闸管完全导通,其输出电压接近电网电压,这样,可将KM21闭合，使软启器旁路,然后KM11断开，软启动退出运行。

此过程中电机端子上始终保持着较稳定的电压，所以整个启动过程平稳，无冲击。软启动退出运行以后准备接受下一次启动或停机操作指令。如果下一次操作指令是再启动一台电机，软启动将关闭软启动器上晶闸管，然后使相应的接触器闭合，再重复上述过程。如果下一次操作是关闭一台电机，比如1#电机停机，软启动先使晶闸管全导通，输出电压接近电网电压，然后KM11闭合将软启动并入正在运行的1#电机上，再断开1#电机直接和电网相联接的接触器KM21，这时就由软启动单独带动1#电机运行，软启动逐步降低输出电压，电机速度逐渐下降，直到停机，完成软停操作后，KM11断开。在上述过程中，控制系统适时的将软启动接入或退出运行电路。使用一台软启动顺序带动多台电机完成软启、软停操作的软启动器应具有“级联”功能，“级联”功能的主要作用是，在每一次操作前，软启动都要进行状态准备，在完成操作之后发出信号使软启动及时退出运行。比如启动电机，软启动晶闸管必须是关闭状态，输出电压为零，然后进入启动操作，如果是执行停机操作，软启动晶闸管必须是导通状态，逐渐降低输出电压，完成停机操作，每一次操作之后软启动都要退出运行线路。软启动本身保护功能齐全，但是当一台软启动带多台电机时，软启动完成启停操作后要退出运行，所以电机保护要另外设置，软启动只在启停过程中起保护。一个由变频器、软启动器、可编程序控制器及低压电器组成的供水控制具有良好的运行性能。

它由变频器带动一台泵变速运行，由一台软启动器完成其余各泵开、停泵操作，变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡。此控制系统除能根据管网出口压力调整变频泵转速外，还能适时的将软启动接入或退出运行电路，完成开停泵操作。此系统克服了变频器控制系统中，变频泵由变频向工频切换过程中所产生的电气和机械冲击，此控制系统具有软启软停功能，可以避免开停机时水泵突然变化而产生的“水垂”效应，保证了设备和管网的安全，此性能对大中型供水泵站尤为重要。综上所述，在大中型泵站采用由变频器，软启动及可编程控制器为主组成的控制系统，集现代电力电子技术，微电子技术及控制技术为一体，组成了适应大中型供水泵站需求的高性能控制系统。此系统具有运行稳定，高效节能，自动化程度高易于操作等优点。由于采用了软启动，设备启停过程平稳，避免了“水垂”效应。与普通变频控制系统相比，此控制系统增加了软启动，软启动成本相对较低，此控制系统只增加了较少的投资，就能较大幅度的提高设备性能，此项技术在大中型水泵站中很有推广应用价值。

五。变频器与电机的距离对系统影响及措施

1.在工业使用现场，变频器与电机安装的距离可以大致分为三种情况：源远距离、中距离和近距离。20m以内为近距离，20-100m为中距离，100m以上为远距离。

由于变频器输出的电压波形不是正弦，波形中含有大量的谐波成分，其中高次谐波会使变频器输出电流增大，造成电机绕组发热，产生振动和噪声，加速绝缘老化，还可能损坏电机；同时各种频率的谐波会向空间发射不同程序的无线电干扰，还可能导致其它设备误动作。因此，希望把变频器安放在被控电机的附近。但是，由于生产现场空间的限制，变频器和电机之间往往要有一定距离。如果变频器和电机之间为20m以内的近距离，可以直接与变频器连接；对于变频器和电机之间为20m到100m的中距离连接，需要调整变频器的载波频率来减少谐波及干扰；而对变频器和电机之间为100m以上的远距离连接，不但要适度降低载波频率，还要加装输出交流电抗器。

2.在高度自动化的工厂里，可以在中心控制室监控所有的控制设备，变频器系统的信号也要送到中控室，变频器的位置若在中心控制，总控台与变频器之间，可以直接连接，通过0-5/10V的电压信号和一些开关量信号进行控制。但是，变频器的高频开关信号的电磁辐射对弱电控制信号会产生一些干扰，因此也不一定要美观整齐，把变频器放在中心控制室内。如果变频器与中心控制室距离远一点，可以采用4-20mA的电流信号和一些开关量作控制连接；如果距离更远，可以采用RS485串行通信方式来连接；若还要加长距离，可以利用通信中间继电器达到1km的距离；如果采用光纤连接器，可以达到23km之远。采用通信电缆连接，可以很方便地构成多及驱动控制系统，从而实现主/从和同步控制等要求。与目前流行的现场总线系统相连接将使数据变换速率大大提高。中心控制室与变频器机柜之间的距离的延长，有利于缩短变频器到电机之间的距离，以便用更加合理的布局改善系统性能。

总之安装变频器时，需要综合考虑中心控制室、变频器、电机三者之间的距离，尽量减少谐波的影响，提高控制的稳定性。

高压变频器的选型－－注意事项

1：选择过高电压等级的弊端

选择过高的电压等级造成投资过高，回收期长。电压等级的提高，电机的绝缘必须提高，使电机价格增加。电压等级的提高，使变频器中电力半导体器件的串联数量加大，成本上升。

可见，对于200～2000kW的电机系统采用6kV、10kV电压等级是极不经济、很不合理的。

2：变频器容量与整流装置相数关系

变频器装置投入6kV电网必须符合国家有关谐波抑制的规定。这和电网容量和装置的额定功率有关。

短路容量在1000MVA以内，1000kW装置12相（变压器副边双绕组）即可，如果24相功率就可达2000kW，12相基本上消除了幅值较大的5次和7次谐波。

整流相数超过36相后，谐波电流幅值降低不显著，而制造成本过高。如果电网短路容量2000MVA，则装置容许容量更大。

3：把最高电压降到3kV以下可节约大量投资

从电力电子器件特性及安全系数考虑电压等级的必要性，受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制，6kV变频器必须采用多电平或多器件串联，造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差。对于6kV变频器若是用1700VIGBT，以美国罗宾康的PERFECTHARMONY系列6kV高压变频器为例，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，三相共60只器件。若是用3300V器件，也需3串共30只器件，数量巨大。另一方面装置电流小，器件的电流能力得不到充分利用，以560kW为例，6kV电机电流仅60A左右，而1700V的IGBT电流已达2400A，3300V器件电流达1600A，有大器件不能用，偏要用大量小器件串联，极不合理。即使电机功率达2000kW，电流也只有140A左右，仍很小。

国外的中压变频器有多个电压等级：1.1kV，2.3kV，3kV，4.2kV，6kV，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定。

输出同样功率的变频器，使用较高电压或较多单元串联所花的代价大于用较低电压，较少数量而电流较大单元的代价，

也就是说在器件电流允许条件下应尽可能选用低的电压等级。

4：隔离变压器问题

为了隔离、改善输入电流及减小谐波，现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频，其输入侧都装有输入变压器，这种配置短时间内不会改变。既然输入侧有变压器，变频器和电机的电压就没有必要和电网一样，非用10kV和6kV 不可，功率2500kW以下电压可以不超过3kV，因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。

200kW～800kW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级。它线路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt小，价格便宜。仍以560kW电机为例，630kW660V的低压变频器约35万，而同容量6000V中压变频器约90万。实现的方法有低-低，低-高，高-低和高-低-高等几种形式。由于电机，变压器的价格远低于变频器，即使更换电机、变压器也合理。

5：原有6kV高压电机如何与3.5kV变频器电压配套

自建国以来传统的6kV高压电机是已投产的主要产品，为了推广3.5kV变频器不可能再花钱更换电机，作者提出一个简便方案，以供参考。

制造厂原有6kV电机一般均为星形接线，其相绕组承受实际电压为3468V，故只要将绕组改接成三角形其它不变。配3.5kV变频器就把变频器电压从6kV下降到3.5kV，从表3可见4.5kV器件不串联就可承受3kV耐压。如果用1.7kV器件3串即可。制造成本将下降30％。而我国目前30MW机组最大电机2500kW采用3.5kV电压完全合理。

6：对电网谐波污染的防治措施

从实用角度整流桥组成12相整流可消除5、7次谐波已基本满足电网谐波要求。因此400kW～800kW采用12相整流即可，1000kW～2500kW采用24相也可以符合要

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