变频器拖动多台电机

纺织机械中一台变频器拖动多台电机的应用
1 引言
在纺织机械行业中，近几年中，越来越多的设备中使用单锭单电机的控制方式，单锭单电机的拖动方式虽然成本很高，但是减少了传动环节，简化了机械设备结构，提高了纺丝速度，并且减少了断头带来的产量损失，提高了生产效率等等非常多的优点，所以还是有许多应用的场合。

对于这一类设备的变频调速，有两种方案，一种是单独驱动，一台电机一台变频，另一种是集中传动，所有电机用一台变频器，本文结合作者的实际使用经验，对第二种情况进行讨论。

这一类传动的特点有三个，一是电机数量多，不是三台五台，而是十几台，几十台，甚至几百台。

二是电机功率小，一般在几十瓦到几百瓦。

三是每台电机功率相同。

具有这三个特点的符合本文讨论的范围。

对于这一类拖动本篇中起名字叫“一拖多”。

2 控制方式
目前变频器的控制方式多种多样，叫法也五花八门，有压频比控制、标量控制、电流矢量控制、电压矢量控制、无传感器矢量控制、直接转矩控制、高精度闭环控制等等，应该承认，不同厂家、不同控制方法的控制效果区别很大，但是无论名称如何，从技术上分类，根据电机是否有速度传感器可以分为闭环和开环两种，开环控制中又大致上可以分成两种，一种是常见的压频比控制，即v/f控制，这是变频器最初出现时广泛采用的方法，几乎目前所有品牌的变频器全部支持这种方法。

它是根据用户设定的电压(v)和频率(f)的线性关系来进行控制的，这是一种比较粗糙的控制方法，因为几乎没有考虑不同制造厂家电机的差异，对于电机的运行状态也没有补偿,所以对电机的控制效果一般，但是却简单可靠，成本低廉。

另一种控制方法是矢量控制，矢量控制的理论基础是:建立电机的等效电路，作为数学模型，利用矢量代数进行分析，建立起空间矢量矩阵，从而进行精确的计算，达到精确的控制效果。

不同的建立数学模型的方法，不同的计算方法，效果也不相同，名称也各不相同。

这种方法需要大量的计算，需要cpu较快的运算速度，也需要电路有较快的执行速度，所以总体成本较高，但确实控制效果要好得多。

显而易见，对于一拖多的情况，变频器其实相当于一个变频电源，它不可能对所有的电机都进行精确控制，这么多的电机，即使是同一个厂家制造，同一个工艺，同一个模具，也不可能完全一致，而且每台电机的工况并不相同,因此，不能把这些电机的简单并联等效成一个大电机来控制，因为没有办法建立近似的电机模型，所以矢量控制不适合于这种应用情况。

事实上，矢量控制对于在两个以上的电机，控制效果随着电机数量的增加，逐渐会变差，由于变频器的动态补偿不可能分别针对每台并联的电机,补偿反而会导致运转的不稳定,所以需采用v/f控制方式。

3 电机线缆问题
这是这类控制最重要的一个问题。

变频器到电机之间的连接线缆的长度是有要求的，一般在100m左右。

在一拖多系统中，应特别注意的是:长度不是变频器到电机最远的距离，而是变频器到所有电机的线缆长度之和，因为一拖多的电机数量众多，所以长度往往很长。

电机线缆不能过长的主要原因是电缆的空间分布电容的影响。

众所周知，变频器的输出不是一个标准的正弦波形，而是一个用脉冲信号调制过的方波，即所谓的pwm技术，如图1所示。

图1 脉宽调制示意图
导线与导线之间有电容效应的存在，在一般线缆不长的情况下，这个电容值很小，可以忽略不计。

但是在线缆过长的情况下，导线分布电容的影响不容忽视，它使波形的上升沿成为斜线或者弧线，导线越长，高次谐波漏电流越大，线缆压降增加，输出转矩不够，造成电流增加和电机发热，最严重时波形严重畸变，变频器根本不能正常工作。

解决方法可以从几个方面着手。

(1) 减少高次谐波的成分;
(2) 降低电压的变化率(du/dt);
(3) 增加输出电抗器, 增加输出电抗器后, 可以抵消电容效应, 改善输出波形，同时还可以降低电机噪声，大大延长输出电机线缆的长度，但电抗器较为笨重，同时延长的长度有限，不能无限制的延长;
(4) 降低pwm的载波频率，对于100m以上的长度，载波频率不能大于5khz;
(5) 增加变频器功率，增加电流;
(6) 加粗线缆直径，减少电容效应，减少线缆压降。

表1是一些常见的变频器至电机间的允许的电缆长度。

附表常见的变频器至电机间允许的电缆长度
品牌系列长度(m) 加电抗器(m) 数据来源
安川 f7 100 300-400 电话询问技术支持
丹佛斯 vlt5000 300 手册
施耐德 58 80 200 手册
西门子 440 150 300 手册
日立 sj 100 300 电话询问技术支持
附表中列出的仅仅是用普通电缆的情况，对于屏蔽或铠装线缆长度还要减半，因为国内使用此类线缆较少，所以没有列出。

显而易见，在这方面丹佛斯表现得非常出色，在不增加输出电抗器的情况下，可以达到其他品牌的变频器安装电抗器后的性能。

它能够做到这点的原因有以下两点:
l vvc+控制理论，不增加高次谐波分量(或称为过调制)即可获得额定电压输出，从理论上就尽可能地减少了高次谐波的产生;
l 采用了“软关断”的专利技术。

简单地说,就是将脉冲的上升和下降沿的斜度减小，从而减小电压的变化率。

4 电机启动和保护
电机的启动电流大约是额定电流的8倍，一拖多的电机如果同时启动，由于变频器可以有效地控制电机启动过程，使电流逐渐增加，直到稳定工作状态，所以没有什么太大的问题。

但是大多数情况下，使用这么多的电机目的就是为了可以单独启动停止每个电机，如果电机不是同时启动，那么必然有部分电机在稳定工作状态时，另一部分电机开始启动，这时启动电流的冲击就不可避免。

假设一共有50个电机的负荷，40个电机已经启动结束，剩余10个电机要同时启动，启动瞬间电流的效果相当于120个电机的额定电流，变频器是无法承受的，所以实践中要尽量避免几个电机同时启动，应从线路设计或者操作规程上加以限制，使一个电机启动结束后再启动另一个电机，避免大的冲击电流。

如果实际使用中一定要几个电机同时启动，那一定要增加变频器的容量。

为了避免单个电机的损坏影响到整个控制，电机的保护需要每个电机单独保护，变频器的保护即不可靠，一旦动作也会影响到整个系统。

比较经济的办法是在电机中增加热敏电阻，这个电阻串联到电机的启动控制回路中去。

5 功率计算
功率计算是“一拖多”系统非常重要的问题。

现实中，往往容易犯的错误是简单的将每个电机的功率相加，得出总功率作为变频器的功率。

在小功率电机中，功率因数较低，相对功率而言，电流较大，所以必须按照电流相加之和作为选择变频的依据。

举例说明，西门子电机1la7070-6aa12，额定功率180w，额定电压380v，额定电流1.1a，假设电机数量30，变频器使用丹佛斯vlt5000。

(1) 按照功率相加计算, 总功率p=180w×30=5.4kw，
考虑1.2倍的裕量，p=5.4×1.2=6.5kw，
最终选择vlt5011的变频器。

变频器数据:输出功率7.5kw，输出电流16a，最大电流(60s内)25.6a。

(2) 按照电流相加计算，总电流 i=1.1×30=33a
考虑1.1倍的裕量 i=33×1.2=36.3a
最终选择vlt5022的变频。

变频数据:输出功率18.5kw，输出电流37.5a，最大电流(60s内)41.3a。

可以看到，不同的计算方法，功率值相差了一倍。

显然，用功率相加的方法，根本是无法稳定使用的。

功率计算的另一个需要注意的就是电缆长度引起的高次谐波漏电流。

但是困难的是这个电流是无法计算的，它和电缆分布，直径，长度，电机数量等很多因素有关系，事先很难估计。

一般有输出电抗器时较小，导线粗时较小，电缆之间距离远时较小，电机数量少时较小，最好也是最简单的方法是实际测量。

功率计算第三个需要注意的是电机的启动情况，如上所述，如果变频器在稳定工作状态下的启动，一定要按照最极端的最大电流值计算功率。

6 结束语
本文对于纺织机械使用的大量的小容量电动机，采用一台为频器拖动多台电机时应注意的问题，谈了自己的看法，这些实际使用的经验，希望能够给大家有所帮助。