變頻器的應用和選型問題 前言：變頻器技術的發(fā)展趨勢經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應用實踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，應用越來越廣泛，從最初的節(jié)能到速度調節(jié)和自動化控制，曾有專家總結出30多類負載。綜合各家論點，整理出此文，供參考。 一、 變頻器應用情況分類一覽表 實際上從變頻器的使用類別可以按下表區(qū)分： 序號 類別 應用范圍 應用方法 1 節(jié)能、改善環(huán)境 風機、泵類、攪拌機、擠壓機、精紡機、注塑機、中央空調、洗衣機、抽油機 調速、降低馬達噪音 2 提高設備效率 金屬加工機械、塑料機 對高速電機進行高速運轉控制 3 自動化控制、減輕勞動強度 搬運機械、加工設備、生產(chǎn)流水線 多臺電機比例運轉、聯(lián)動運轉、同步運轉、正反運轉、多段速調節(jié) 4 提高產(chǎn)量提高工藝精度及質量 機床、搬運機械、塑料機械、抽油機、球磨機、研磨機、印刷機 調速運轉、抽油機對稠油降低沖次 5 減少維修、延長機器使用壽命 機床主軸、紡紗機 取代直流電機、無級調速 6 提高質量 造紙機、切紙機、拉絲機、纖維機械 調節(jié)最佳速度、恒張力矢量控制 7 特殊要求場合 恒壓供水、供氣、音樂噴泉 恒轉矩、多段速自動控制 　　 　二、變頻器的選型 變頻器的正確選用對于機械設備電控系統(tǒng)的正常運行是至關重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉矩和使用環(huán)境的要求，然后決定選用何種控制方式和防護結構的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機械設備的實際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下，實現(xiàn)變頻器應用的最佳性價比。 2.1 機械設備的負載轉矩特性 人們在實踐中常將生產(chǎn)機械根據(jù)負載轉矩特性的不同，分為三大類型：恒轉矩負載、恒功率負載和流體類負載。 2.1.1恒轉矩負載 在這類負載中，負載轉矩TL與轉速n無關，任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉矩負載。 變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速時的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時穩(wěn)速運行，應該考慮標準籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。 2.1.2恒功率負載 這類負載的特點是需求轉矩TL與轉速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負載。 負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉變?yōu)楹戕D矩性質。負載的恒功率區(qū)和恒轉矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大允許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。 2.1.3流體類負載 這類負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。各種風機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負載。 流體類負載通過變頻器調速來調節(jié)風量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類負載在高速時的需求功率增長過快，與負載轉速的三次方成正比，所以不應使這類負載超工頻運行。 2.2 根據(jù)負載特性選取適當控制方式的變頻器 現(xiàn)在市場上出售的變頻器種類繁多，功能也日益強大，變頻器的性能也越來越成為調速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。 綜上所述，異步電動機變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點的調速特性。 2.3 根據(jù)安裝環(huán)境選取變頻器的防護結構 變頻器的防護結構要與其安裝環(huán)境相適應，這就要考慮環(huán)境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素，這與變頻器能否長期、安全、可靠運行關系重大。大多數(shù)變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護結構供用戶選用： （1）開放型IP00，它從正面保護人體不能觸摸到變頻器內部的帶電部分，適用于安裝在電控柜內或電氣室內的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用較好，但它對安裝環(huán)境要求較高。 （2）封閉型IP20、IP21，這種防護結構的變頻器四周都有外罩，可在建筑物內的墻上壁掛式安裝，它適用于大多數(shù)的室內安裝環(huán)境。 （3）密封型IP40、IP42，它適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件較差的場合。 （4）密閉型IP54、IP55，它具有防塵、防水的防護結構，適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件差，有水淋、粉塵及一定腐蝕性氣體的場合。 三、選擇變頻器容量計算 采用變頻器驅動異步電動機調速。在異步電動機確定后，通常應根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。當運行方式不同時，變頻器容量的計算方式和選擇方法不同，變頻器應滿足的條件也不一樣。選擇變頻器容量時，變頻器的額定電流是一個關鍵量，變頻器的容量應按運行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。變頻器的運行一般有以下幾種方式。 3.1 連續(xù)運轉時所需的變頻器容量的計算 由于變頻器傳給電動機的是脈沖電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當?shù)挠嗔?。此時，變頻器應同時滿足以下三個條件： 式中：PM、η、cosφ、UM、IM分別為電動機輸出功率、效率（取0.85）、功率因數(shù)（取0.75）、電壓（V）、電流（A）。 K：電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05～1.1） PCN：變頻器的額定容量（KVA） ICN：變頻器的額定電流（A） 式中IM如按電動機實際運行中的最大電流來選擇變頻器時，變頻器的容量可以適當縮小。 3.2 加減速時變頻器容量的選擇 變頻器的最大輸出轉矩是由變頻器的最大輸出電流決定的。一般情況下，對于短時的加減速而言，變頻器允許達到額定輸出電流的130％～150％（視變頻器容量），因此，在短時加減速時的輸出轉矩也可以增大；反之，如只需要較小的加減速轉矩時，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈動原因，此時應將變頻器的最大輸出電流降低10％后再進行選定。 3.3 頻繁加減速運轉時變頻器容量的選定 根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定： I1CN＝[（I1t1+I2t2+…+I5t5）/（t1+t2+…t5）]K0 式中：I1CN：變頻器額定輸出電流（A） I1、I2、…I5：各運行狀態(tài)平均電流（A） t1、t2、…t5：各運行狀態(tài)下的時間 K0：安全系數(shù)（運行頻繁時取1.2，其它條件下為1.1） 3.4 一臺變頻器傳動多臺電動機，且多臺電動機并聯(lián)運行，即成組傳動 用一臺變頻器使多臺電機并聯(lián)運轉時，對于一小部分電機開始起動后，再追加投入其他電機起動的場合，此時變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電機將產(chǎn)生大的起動電流，因此，變頻器容量與同時起動時相比需要大些。 以變頻器短時過載能力為150％，1min為例計算變頻器的容量，此時若電機加速時間在1min內，則應滿足以下兩式 若電機加速在1mn以上時 式中：nT：并聯(lián)電機的臺數(shù) ns：同時起動的臺數(shù) PCN1：連續(xù)容量（KVA） PCN1=KPMnT/ηcos PM：電動機輸出功率 η：電動機的效率（約取0.85） cosφ：電動機的功率因數(shù)（常取0.75） Ks：電機起動電流/電機額定電流 IM：電機額定電流 K：電流波形正系數(shù)（PWM方式取1.05～1.10） PCN：變頻器容量（KVA） ICN：變頻器額定電流（A） 變頻器驅動多臺電動機，但其中可能有一臺電動機隨時掛接到變頻器或隨時退出運行。此時變頻器的額定輸出電流可按下式計算： 式中：IICN：變頻器額定輸出電流（A） IMN：電動機額定輸入電流（A） IMQ：最大一臺電動機的起動電流（A） K：安全系數(shù)，一般取1.05～1.10 J：余下的電動機臺數(shù) 3.5 電動機直接起動時所需變頻器容量的計算 通常，三相異步電動機直接用工頻起動時起動電流為其額定電流的5～7倍，對于電動機功率小于10kW的電機直接起動時，可按下式選取變頻器。 IICN≥IK/Kg 式中：IK：在額定電壓、額定頻率下電機起動時的堵轉電流（A）； Kg：變頻器的允許過載倍數(shù) Kg＝1.3～1.5 在運行中，如電機電流不規(guī)則變化，此時不易獲得運行特性曲線，這時可使電機在輸出最大轉矩時的電流限制在變頻器的額定輸出電流內進行選定。 3.6 大慣性負載起動時變頻器容量的計算 通過變頻器過載容量通常多為125％、60s或150％、60s。需要超過此值的過載容量時，必須增大變頻器的容量。這種情況下，一般按下式計算變頻器的容量： 式中：GD2：換算到電機軸上的轉動慣量值（N·m2） TL：負載轉矩（N·m） η，cosφ，nM分別為電機的效率（取0.85），功率因數(shù)（取0.75），額定轉速（r/min）。 tA：電機加速時間（s）由負載要求確定 K：電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05～1.10） PCN：變頻器的額定容量（KVA） 3.7 輕載電動機時變頻器的選擇 電動機的實際負載比電動機的額定輸出功率小時，多認為可選擇與實際負載 相稱的變頻器容量，但是對于通用變頻器，即使實際負載小，使用比按電機額定 功率選擇的變頻器容量小的變頻器并不理想，這主要是由于以下原因； 1） 電機在空載時也流過額定電流的30％～50％的勵磁電流。 2） 起動時流過的起動電流與電動機施加的電壓、頻率相對應，而與負載轉矩無關，如果變頻器容量小，此電流超過過流容量，則往往不能起動。 3） 電機容量大，則以變頻器容量為基準。 普傳PI7000變頻器