恒轉(zhuǎn)矩工作的電力傳動(dòng)中變頻器的選擇

1、恒轉(zhuǎn)矩工作的電力傳動(dòng)中變頻器的選擇1  引言    在電梯升降的傳動(dòng)系統(tǒng)中，帶短路轉(zhuǎn)子（鼠籠式）雙速異步電動(dòng)機(jī)已獲得普遍推廣。為了改善電梯驅(qū)動(dòng)中的儲(chǔ)能節(jié)電特性，經(jīng)常在傳動(dòng)系統(tǒng)中采用帶變頻器的異步電動(dòng)機(jī)。此外，通過(guò)可調(diào)的電力傳動(dòng)，能充分利用電動(dòng)機(jī)的功率。對(duì)雙速的異步電動(dòng)機(jī)，功率利用系數(shù)為75%；對(duì)帶變頻的異步電動(dòng)機(jī)，功率的利用率可達(dá)到8590%。參考文獻(xiàn)中詳細(xì)討論了電力拖動(dòng)中對(duì)電動(dòng)機(jī)的選擇問(wèn)題以及變頻器的運(yùn)行情況。但對(duì)變頻器的選擇并未引起重視。而且，考慮到變頻器是組成傳動(dòng)系統(tǒng)成本的主要部分，故對(duì)變頻器的選擇是特別迫切和現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。近代文獻(xiàn)中，?？梢?jiàn)到可調(diào)電

2、力傳動(dòng)中，如儲(chǔ)能、節(jié)能之類的性能介紹，但有關(guān)變頻器的能耗及其選擇方法卻報(bào)導(dǎo)不多。2  變頻器的組成結(jié)構(gòu)    變頻器廣泛應(yīng)用于低壓領(lǐng)域的異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。變頻器由輸入端的不控整流器，直流回路和自控逆變器等組成。這一變頻器的控制系統(tǒng)是通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)的。圖1為變頻器的電氣主接線圖。圖1中1三相不控整流器；2直流環(huán)（回路）；3帶反接二極管及確保制動(dòng)工況的三極晶體管；4確保制動(dòng)工況的電阻器；5基于IGBT（絕緣柵雙極晶體管）帶反接二極管組成的自控逆變器。此外，圖1中還標(biāo)示了電網(wǎng)側(cè)的AC（交流）扼流線圈和DC（直流）扼流線圈，但這不是必備的變頻器元件。圖1 變頻器

3、的電氣接線圖3  變頻器用于電梯電力傳動(dòng)    選擇變頻器時(shí)，為了獲得電力傳動(dòng)最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，必須將電網(wǎng)、異步電動(dòng)機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)的特性進(jìn)行比較。實(shí)際上所有變頻器的主導(dǎo)生產(chǎn)公司：西門子、日立、KEB、Omron、ABB，都有一套適用于電梯驅(qū)動(dòng)所需的標(biāo)準(zhǔn)功能，包括：    （1）按S形曲線給定的加速時(shí)間與制動(dòng)時(shí)間；    （2）異步電動(dòng)機(jī)的電流保護(hù)(最大電流，時(shí)間電流曲線)；    （3）異步電動(dòng)機(jī)的溫度保護(hù)；    （4）電網(wǎng)電壓波動(dòng)的

4、保護(hù)；    （5）四象限工作；    （6）由備用電源(蓄電池)供電的可能性；    （7）能操控傳動(dòng)工作的模擬/數(shù)字輸入，以便與電梯站通訊聯(lián)系。    圖2所示為按電梯站發(fā)出指令的電梯室運(yùn)動(dòng)圖形。圖2  電梯室運(yùn)動(dòng)圖     在自動(dòng)工況下的工作周期包含以下階段：準(zhǔn)備工作；電力保持；電梯室加速；全速運(yùn)動(dòng)；電梯室減速；延遲；電梯室制動(dòng)；電力保持。    自電梯站的準(zhǔn)備工作完成以后，給出完成工作的零位速度（V

5、0）信號(hào)，發(fā)送至異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組。一旦運(yùn)動(dòng)指令到達(dá)，電力傳動(dòng)即按S形曲線將電梯室加速至給定電位的速度（Vm）。當(dāng)接近這一階段時(shí)，電梯室的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始減速到達(dá)延遲速度（Vs）。而且，采用可調(diào)的電力傳動(dòng)時(shí)，延遲速度Vs從給定值的1/41/3減少到給定速度Vm的1/10及以下。根據(jù)電梯站的指令，在行程功能中，存在由延遲速度到電梯停運(yùn)的過(guò)渡階段。    大多數(shù)情況下，各種不同變頻器的差別在于：有或者沒(méi)有能控制異步電動(dòng)機(jī)的附加成套功能?？刂茀?shù)包括：電動(dòng)機(jī)相同功率下的額定輸出電流，變頻器中的損耗以及變頻器的效率。表1列出若干生產(chǎn)廠家、公司的變頻器基本電氣特性。 &

6、#160;   表1   變頻器基本電氣特性    變頻器的電氣參數(shù)，如電流、效率、損耗，是按額定工況下的試驗(yàn)結(jié)果確定的。同時(shí)，采用了有功電阻作為負(fù)荷。4  變頻器的選擇    變頻器的選擇分三個(gè)步驟：    （1）預(yù)選（計(jì)算輸出電流）；    （2）建立電力傳動(dòng)整個(gè)電氣過(guò)程的數(shù)學(xué)模型(綜合控制回路的調(diào)節(jié)，檢驗(yàn)按轉(zhuǎn)矩選擇異步電動(dòng)機(jī)的正確性，檢驗(yàn)按電流選擇變頻器的正確性檢驗(yàn)最大電流及時(shí)間電流的保護(hù))；  &#

7、160; （3）由試驗(yàn)證實(shí)計(jì)算的結(jié)果    變頻器的預(yù)選是計(jì)算輸出電流。此時(shí)，須要考慮到輸出是在有功負(fù)荷情況下確定的變頻器電氣參數(shù)，同時(shí)還要考慮到變頻器輸出電壓的非正弦特性。圖3給出了日立SJ300和西門子Midimastervector變頻器輸出電壓的示波圖形。對(duì)比示波圖形以后，無(wú)論在低頻部分（與基波成倍的諧波）或是在高頻部分（與載波頻率成倍的諧波，見(jiàn)圖4），均可發(fā)現(xiàn)輸出電壓頻譜成分的不同。(a)日立SJ300變頻器(載波頻率為2kHz)(b)西門子Midimastervector變頻器(載波頻率為4kHz)圖3  在一次諧波頻率為50Hz的輸出電壓的

8、示波圖(a) SJ300變頻器（載波頻率為2kHz）(b) Midimastervector變頻器（載波頻率為4kHz）圖4  在一次諧波頻率為50Hz輸出電壓的頻譜    負(fù)載情況下，由正弦電源電壓操作的電動(dòng)機(jī)電流    I1=0.1047Mn/(cos3×380)                     

9、     （1）    式中，n轉(zhuǎn)速，r/min；M電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩；產(chǎn)品說(shuō)明書中電動(dòng)機(jī)的效率值；cos產(chǎn)品說(shuō)明書中電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。    計(jì)及變頻器輸出電壓的非正弦性，按式(1)求得的電流值應(yīng)增大：   Ick3=K1I1                    

10、0;                                                 

11、0;                        （2）    式中，K1考慮非正弦特性的系數(shù)，大多數(shù)情況下K1=1.11.4。    已知電壓和電流的頻譜時(shí)，系數(shù)K1與電壓和電流一次諧波系數(shù)的乘積成反比。因?yàn)殡娏鲃?dòng)運(yùn)行在不同的工況和不同的轉(zhuǎn)速下，電流值按傳動(dòng)的最大負(fù)荷計(jì)算。預(yù)選變頻器的另一問(wèn)題是對(duì)能量消

12、耗的估算。為了估算能耗，應(yīng)考慮工況將損耗分成若干分量：   PPB+P3+P+Pcy         （3）    式中：PBp整流器中的損耗；P3 變頻器直流回路中的損耗；P自動(dòng)操作電壓逆變器中的損耗，包括漏電流損耗和換向損耗；Pcy操作控制中的損耗。    由于變頻器采用的是IGBT晶體管，換向中的功耗最小，與載波的脈寬調(diào)制（PWM）成比例，這可屬于與變頻器負(fù)荷無(wú)關(guān)的損耗。也即，直流回路中的損耗。多數(shù)變頻器，其損耗的比例關(guān)

13、系可用以下方式預(yù)估：整流器中損耗40%；與負(fù)荷無(wú)關(guān)的直流損耗（控制系統(tǒng)及直流環(huán)中的損耗）15%；自控電壓逆變器中的損耗45%。在分析能耗時(shí)，整流器中的損耗與輸入給變頻器的功率和電動(dòng)機(jī)要求的功率成比例；自控逆變器中的損耗與電動(dòng)機(jī)軸端轉(zhuǎn)矩成比例。    下面，對(duì)載重量400kg和電梯室升降速度1m/s的電梯，列舉一選擇變頻器的實(shí)例。對(duì)于電力傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，選擇電動(dòng)機(jī)為APM132M6，其動(dòng)力指標(biāo)為：效率=86%，功率因數(shù)cos=0.81；當(dāng)負(fù)荷為85%時(shí)，電動(dòng)機(jī)的額定電流I1=14.6A。    計(jì)及變頻器輸出電壓和電流的非正弦性，系數(shù)K1=1

14、.2，求得   Ick3=17.5A    這一電流與附表中“Omron”L7變頻器模型的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，接入異步電動(dòng)機(jī)的最大功率為7.5kW。分析了起動(dòng)時(shí)的損耗，我們采用起動(dòng)期間的平均功率為3880W，電動(dòng)機(jī)軸端轉(zhuǎn)矩64.8Nm。此時(shí)損耗數(shù)據(jù)如表2所列。表2  損耗數(shù)據(jù)5  變頻器的建模    下面針對(duì)變頻器中能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行討論。提出了用矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matlab）軟件建立的模型（Matlab被稱為三大數(shù)學(xué)軟件之一），相應(yīng)于變頻器主接線圖（圖1）的結(jié)構(gòu)圖，示于圖5。圖5 研究電

15、力傳動(dòng)能量過(guò)程的結(jié)構(gòu)圖    構(gòu)成數(shù)學(xué)模型時(shí)，采用了以下假定：    （1）不考慮與異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷無(wú)關(guān)的直流損耗；    （2）不考慮電動(dòng)機(jī)等值電路參數(shù)與頻率的關(guān)系；    （3）不考慮電動(dòng)機(jī)繞組的波動(dòng)性。    對(duì)于電力傳動(dòng)，功率的平衡方程為：   PBX=PPP2          （4）   

16、 式中，P2異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率；P電動(dòng)機(jī)中的總損耗；PBX 總的輸入功率；P變頻器中的總損耗。   P2=0.1047Mn                                     &

17、#160; （5）    式中，M轉(zhuǎn)矩；n轉(zhuǎn)速。    輸入電動(dòng)機(jī)的功率     P1=PP2  （6）       考慮到功率平衡方程，整流器中的損耗   P=PBX-UDCIDC                

18、60;      （7）    式中，IDC直流環(huán)中的電流；UDC直流環(huán)中的電壓；PBX總的輸入功率。   UDC=2U1-UP                              （8）    式中，U1變頻器輸入端的線電壓；UP整流器元件上電壓降。    自動(dòng)操作的電壓逆變器中損耗    PAH= UDCIDC-P1 （9）                    &#