變頻器的應(yīng)用和選型問題 前言：變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，應(yīng)用越來越廣泛，從最初的節(jié)能到速度調(diào)節(jié)和自動化控制，曾有專家總結(jié)出30多類負(fù)載。綜合各家論點(diǎn)，整理出此文，供參考。 一、 變頻器應(yīng)用情況分類一覽表 實(shí)際上從變頻器的使用類別可以按下表區(qū)分： 序號 類別 應(yīng)用范圍 應(yīng)用方法 1 節(jié)能、改善環(huán)境 風(fēng)機(jī)、泵類、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)、精紡機(jī)、注塑機(jī)、中央空調(diào)、洗衣機(jī)、抽油機(jī) 調(diào)速、降低馬達(dá)噪音 2 提高設(shè)備效率 金屬加工機(jī)械、塑料機(jī) 對高速電機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)控制 3 自動化控制、減輕勞動強(qiáng)度 搬運(yùn)機(jī)械、加工設(shè)備、生產(chǎn)流水線 多臺電機(jī)比例運(yùn)轉(zhuǎn)、聯(lián)動運(yùn)轉(zhuǎn)、同步運(yùn)轉(zhuǎn)、正反運(yùn)轉(zhuǎn)、多段速調(diào)節(jié) 4 提高產(chǎn)量提高工藝精度及質(zhì)量 機(jī)床、搬運(yùn)機(jī)械、塑料機(jī)械、抽油機(jī)、球磨機(jī)、研磨機(jī)、印刷機(jī) 調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)、抽油機(jī)對稠油降低沖次 5 減少維修、延長機(jī)器使用壽命 機(jī)床主軸、紡紗機(jī) 取代直流電機(jī)、無級調(diào)速 6 提高質(zhì)量 造紙機(jī)、切紙機(jī)、拉絲機(jī)、纖維機(jī)械 調(diào)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(zhuǎn)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(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)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(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下，實(shí)現(xiàn)變頻器應(yīng)用的最佳性價比。 2.1 機(jī)械設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 人們在實(shí)踐中常將生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的不同，分為三大類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和流體類負(fù)載。 2.1.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 在這類負(fù)載中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)和機(jī)械設(shè)備的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等摩擦類負(fù)載以及起重機(jī)、提升機(jī)、電梯等重力負(fù)載，都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時，低速時的輸出轉(zhuǎn)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(yùn)行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動機(jī)的散熱能力，避免電動機(jī)溫升過高。 2.1.2恒功率負(fù)載 這類負(fù)載的特點(diǎn)是需求轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)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(jī)床的主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等，都屬于恒功率負(fù)載。 負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機(jī)在恒磁通調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機(jī)的容量和變頻器的容量均最小。 2.1.3流體類負(fù)載 這類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。各種風(fēng)機(jī)、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負(fù)載。 流體類負(fù)載通過變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類負(fù)載在高速時的需求功率增長過快，與負(fù)載轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以不應(yīng)使這類負(fù)載超工頻運(yùn)行。 2.2 根據(jù)負(fù)載特性選取適當(dāng)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(qiáng)大，變頻器的性能也越來越成為調(diào)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(jī)變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點(diǎn)的調(diào)速特性。 2.3 根據(jù)安裝環(huán)境選取變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu) 變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)要與其安裝環(huán)境相適應(yīng)，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(yùn)行關(guān)系重大。大多數(shù)變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護(hù)結(jié)構(gòu)供用戶選用： （1）開放型IP00，它從正面保護(hù)人體不能觸摸到變頻器內(nèi)部的帶電部分，適用于安裝在電控柜內(nèi)或電氣室內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器四周都有外罩，可在建筑物內(nèi)的墻上壁掛式安裝，它適用于大多數(shù)的室內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)，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(jì)算 采用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)調(diào)速。在異步電動機(jī)確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。當(dāng)運(yùn)行方式不同時，變頻器容量的計(jì)算方式和選擇方法不同，變頻器應(yīng)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(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。變頻器的運(yùn)行一般有以下幾種方式。 3.1 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量的計(jì)算 由于變頻器傳給電動機(jī)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(dāng)?shù)挠嗔?。此時，變頻器應(yīng)同時滿足以下三個條件： 式中：PM、η、cosφ、UM、IM分別為電動機(jī)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(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流來選擇變頻器時，變頻器的容量可以適當(dāng)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(zhuǎn)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(dá)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(zhuǎn)矩也可以增大；反之，如只需要較小的加減速轉(zhuǎn)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(yīng)將變頻器的最大輸出電流降低10％后再進(jìn)行選定。 3.3 頻繁加減速運(yùn)轉(zhuǎn)時變頻器容量的選定 根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)平均電流（A） t1、t2、…t5：各運(yùn)行狀態(tài)下的時間 K0：安全系數(shù)（運(yùn)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(jī)，且多臺電動機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，即成組傳動 用一臺變頻器使多臺電機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時，對于一小部分電機(jī)開始起動后，再追加投入其他電機(jī)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(jī)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(jì)算變頻器的容量，此時若電機(jī)加速時間在1min內(nèi)，則應(yīng)滿足以下兩式 若電機(jī)加速在1mn以上時 式中：nT：并聯(lián)電機(jī)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(jī)輸出功率 η：電動機(jī)的效率（約取0.85） cosφ：電動機(jī)的功率因數(shù)（常取0.75） Ks：電機(jī)起動電流/電機(jī)額定電流 IM：電機(jī)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(qū)動多臺電動機(jī)，但其中可能有一臺電動機(jī)隨時掛接到變頻器或隨時退出運(yùn)行。此時變頻器的額定輸出電流可按下式計(jì)算： 式中：IICN：變頻器額定輸出電流（A） IMN：電動機(jī)額定輸入電流（A） IMQ：最大一臺電動機(jī)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(jī)臺數(shù) 3.5 電動機(jī)直接起動時所需變頻器容量的計(jì)算 通常，三相異步電動機(jī)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(jī)功率小于10kW的電機(jī)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(jī)起動時的堵轉(zhuǎn)電流（A）； Kg：變頻器的允許過載倍數(shù) Kg＝1.3～1.5 在運(yùn)行中，如電機(jī)電流不規(guī)則變化，此時不易獲得運(yùn)行特性曲線，這時可使電機(jī)在輸出最大轉(zhuǎn)矩時的電流限制在變頻器的額定輸出電流內(nèi)進(jìn)行選定。 3.6 大慣性負(fù)載起動時變頻器容量的計(jì)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(jì)算變頻器的容量： 式中：GD2：換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量值（N·m2） TL：負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m） η，cosφ，nM分別為電機(jī)的效率（取0.85），功率因數(shù)（取0.75），額定轉(zhuǎn)速（r/min）。 tA：電機(jī)加速時間（s）由負(fù)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(jī)時變頻器的選擇 電動機(jī)的實(shí)際負(fù)載比電動機(jī)的額定輸出功率小時，多認(rèn)為可選擇與實(shí)際負(fù)載 相稱的變頻器容量，但是對于通用變頻器，即使實(shí)際負(fù)載小，使用比按電機(jī)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(jī)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(jī)施加的電壓、頻率相對應(yīng)，而與負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，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(jī)容量大，則以變頻器容量為基準(zhǔn)。 普傳PI7000變頻器