变频调速技术的应用

变频调速技术的应用作者：唐惠龙来源：《价值工程》2012年第29期摘要：本文简要介绍了变频器的种类、特点、选择和注意事项。

Abstract： The paper deseribes the classifications， performance， choices for product， and peripheral devices design need to be notices of inverter.关键词：变频器；种类；特点；选择Key words： inverter；classifications；feature；choices中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）29-0040-030 引言变频调速技术近年来在我国得到了突飞猛进的发展，由于变频调速技术在调速范围、调速平滑性、静差度、动态响应、功率因数、智能控制、节约电能等方面具有的优异性能，是目前交流电动机调速所采用的主要方式。

它以体积小、重量轻、可靠性高、通用性强、适用范围广、操作简便、保护功能完善等优点，广泛应用于钢铁、化工、冶金、电力、石化、食品、医药、造纸、机械等领域。

1 变频器的应用分类变频器应用非常广泛，根据具体应用情况可分为以下几种类型：①节能、改善环境。

风机、泵类、搅拌机、挤压机、精纺机、注塑机、中央空调系统、洗衣机、抽油烟机等系统的调速；②提高设备效率。

机械加工设备中高速电动机的高速运行控制；③自动化控制、减轻劳动强度。

搬运机械、加工设备、生产流水线、多台电动机联动等系统进行正反转控制、多段速度调节；④提高产量、提高控制精度。

机床、搬动机械、塑料机械、球磨机、研磨机、印刷机械等系统进行调速控制；⑤减少设备维修、延长设备寿命。

机床设备的主轴、纺纱机等系统进行无级调速；⑥提高质量。

切纸机、造纸机、拉丝机、纤维机械等轻工设备进行最佳速度控制、恒张力矢量控制；⑦特殊要求的场合。

恒压供水、供气、音乐喷泉等系统进行恒转矩、多段速自动控制。

2 变频器的选型变频器的正确选用对于机械设备的正常运行至关重要。

选择变频器时，首先要根据生产机械的类型、负载转矩的特性、调速范围、静差度、起动转矩、使用环境及系统的特殊要求，然后决定选用哪种控制方式和防护结构的变频器。

当然所选用的变频器一定要是最合适的。

也就是说所选用的变频器一定要能能够满足生产机械的实际工艺要求，并且具有最高的性价比。

2.1 生产机械的负载分类由于生产机械的类型很多，根据生产机械的负载转矩特性将其分为以下种类型：2.1.1 恒转矩负载在这类负载中，负载转矩T■=C，与转速n 无关。

而负载功率随着负载转速的升高而增加。

如机床设备中的进给机构、传送带、搅拌机、挤压机等机构和起重机、电梯、提升机等负载都属于恒转矩负载。

在变频器驱动恒转矩负载性质的生产机械时，低速时要有足够大的输出转矩，并且要有足够大的过载能力。

如果电动机在低速下长期运行，还必须要考虑电动机的散热问题，以防电动机温升过高。

2.1.2 恒功率负载恒转矩负载的特点就是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值。

即：P■=T■Ω=T■■=■T■n=C就是说，负载转矩与转速成反比。

如金属切削机床中的主轴、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等都属于恒功率负载。

负载的恒功率性质是在一定的速度范围内而言，如果速度非常慢，在机械强度的限制下，T■无法一直增大，在低速下负载性质变为恒转矩负载。

负载的恒功率区和恒转矩区在很大程度上影响着拖动系统方案的确定。

直流电动机的弱磁调速就属于恒功率调速。

2.1.3 通风机类负载这一类负载的特点是负载的转矩大小与转速的二次方成正比。

功率与转速的三次方成正比。

即：T■=kn■各种风机、水泵、油泵都属于通风机类负载。

通风机负载通过变频器调速来调整风机的风量、流量，从而可以大幅度的节能。

由于通风机类负载在高速时需要很大的功率，所以不应使这类负载超工频运行。

2.2 根据负载特性选取适当控制方式的变频器变频器具有以下四种控制方式：2.2.1 v/f控制方式它的变频器可以同时控制变频器输出的电压和频率。

在当v/f的值不变时，得到所需的转矩特性。

用这种方式的变频器控制电路结构不复杂、成本也不高，多用于对精度要求较低的通用变频器。

2.2.2 转差率控制方式这种控制方式要比v/f控制更先进，优点更多，它需要通过一个电动机上的速度传感器测出电动机的转速，构成闭环系统，速度调节器的输出为转差频率，电动机的实际转速与所需转差率之和决定了变频器的输出频率。

用这种控制方式对电动机的电流进行控制，与前一种控制方式相比，在加减速特性和限制过电流的能力等方面都有明显的改善。

2.2.3 矢量控制方式矢量控制是一种高性能的控制方式。

其操作原理是，将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并加以控制。

它的名称的由来是因为它一定要同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，所以叫矢量控制方式。

2.2.4 直接转矩控制方式直接转矩控制方式是交流拖动系统中具有革命性的电动机控制方式。

不需要在电动机的转轴上安装脉冲编码器来反馈转子的位置，而具有转矩和转速。

能在零速时产生满载转矩，电路中的PWM调制器不需要分开电压控制和频率控制，具有这种功能的变频器称为直接转矩控制变频器。

根据负载的转矩特性和控制系统对调速性能的基本要求选择能够满足控制系统要求的控制方式是变频选用过程中最重要的环节之一。

2.3 根据变频器的工作环境选择变频器的防护结构在选择变频器的防护结构时，要充分考虑到其安装环境，包括温度、湿度、粉尘等许多方面的要求，这些都直接关系着变频器的使用情况，目前变频器所常用的防护结构有以下几种方式：①开放型IP00：他可以保护人体不通触摸到变频器内部的带电部分。

但它对安装环境的要求较高。

②封闭型IP20、IP21：它的变频器周围有外罩，可悬挂在墙上。

一般的安装环境都可以安装这种防护结构。

③密封型IP40、IP42：在环境较差的条件下安装这种防护结构比较合适。

④密闭型IP54、IP55：它可以防尘、防水，在环境条件差、有水淋、粉尘等场合安装这种防护结构比较合适。

3 变频器输出容量和电流的选择在选择变频器的输出容量和电流时，要求其输出容量和电流一定不小于被驱动电动机的额定功率和额定电流。

具体的输出容量和电流选择可依据不同情况采用相应的计算公式进行计算并选择。

3.1 电动机连续运转时变频器容量的选择由于变频器输出的电流为脉动电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此须将变频器的容量留有适当的安全余量，此时变频器的容量可按下式进行计算：P■？叟■（KVA）I■？叟KI■（A）P■？叟K■U■I■×10■（KVA）式中P■为电动机的额定功率、η为效率、cosφ为功率因数（取0.75）、U■为额定电压、I■为额定电流；电流波形修正系数用K来表示， PWM方式时取1.05～1.1；P■：变频器的额定容量（KVA）；I■：变频器的额定电流（A）；3.2 加减速时变频器容量的选择变频器的最大输出电流最终决定了变频器的最大输出转矩。

通常，加减速较短时，变频器在额定输出电流的130%～150%范围内都是可以的，所以，在短时加减速时的输出转矩也可以增大。

3.3 频繁加减速时变频器容量的选择根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，可按下式进行计算并选择。

I■=I■t■+I■t■+I■t■+I■t■+I■t■/t■+t■+t■+t■+t■K■变频器的额定输出电流用I1CN来表示；各运行状态下电流的平均值分别用I1、I2、I3、I4、I5来表示；各运行状态下的时间分别用t1、t2、t3、t4、t5来表示。

安全系数用K0来表示，在取值上：运行频繁时取1.2，其它条件下取1.13.4 一台变频器拖动多台电动机，且多台电动机并联用一台变频器拖动多台电动机并联运行时，对于一小部分电动机开始起动后，再追加投入其他电动机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电动机将产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。

以变频器短时过载能力为150%，1min为例计算变频器的容量，若电动机加速在1min以上时，可得出以下公式：P■？叟P■1+■K■-1式中：并联电动机的台数用nT来表示；同时起动台数用nS来表示；PCN1：连续运行时变频器的容量（KVA）；KS：电动机起动电流/电动机额定电流；IN：电动机额定电流（A）；PCN：变频器容量（KVA）。

3.5 大惯性负载起动时变频器容量的计算一般情况下，变频器过载容量是125%、60s或150%、60s。

如果实际运行中比给出的这两个值大，就一定要把变频器的容量调大。

此时的计算公式为：P■？叟■T■+■×■GD2：换算到电动机轴上的转动惯量（Nm2）TL：负载转矩（Nm）tA：电动机加速时间（S），由负载要求确定；PCN：变频器容量（KVA）；nN、η、cosφ电动机的额定转速（r/min）、电动机的额定效率（取0.85）、电动机的功率因数（取0.75）；K：电流波形修正系数（PWM方式时取1.05～1.1）。

3.6 电动机轻载时变频器容量的选择如果在实际运行中，电动机的负载小于额定输出功率，通常可选择与实际负载相称的变频器容量，但是当使用通用变频器时，就算是实际负载不大，使用比按电动机额定功率选择的变频器容量小的变频器也不是很合适，分析其原因主要有：①电动机空载时，电动机的工作电流也为额定电流的30%～50%，该电流又为励磁电流。

②电动机容量大，则以变频器容量为基准的电动机的漏抗的百分比变小，变频器输出电流脉动变大，变频器过电流保护动作，电动机不能运行。

③电动机用通用变频器起动时，其起动转矩与工频起动时相比转矩变小，有时不能起动。

另外，在低速运行区的转矩有比额定转矩减小的趋势，用选定的变频器和电动机不能满足负载所在求的起动转矩和低速区运行的转矩时，变频器和电动机的容量还必须增大。

4 结束语变频器的选择关系到整个变频调速系统的整体性能和系统能否可靠、安全运行。

根据调速系统的调速要求和实际的工况环境，选择合适的变频器是整个系统的主要工作。

另外，工作现场的安装、调试也是一个重要的环节。

只有选择了最合适的变频器才能保证整个变频调速系统的正常、可靠运行。

参考文献：[1]孙传森.变频器技术[M].北京：高等教育出版社，2009.[2]许晓峰.电机及拖动[M].北京：机械工业出版社，2004.[3]李良仁.变频调速技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.[4]曾方.电力电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.。