基于不同机械负载的变频器选择策略

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摘要：变频器的优势是体积小、噪声弱、成本低，生产机械设备中的电机系统能否正常运转取决于变频器的选择。文章主要从负载特性、参数计算和应注意的问题等方面对变频器的选择进行了探讨。

关键词：变频器；负载特性；选择控制

中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）02-0068-02

近年来，随着科技的进步，交流电动机的变频调速已逐步成为当代电动机调速的主流。在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，而选择合适的变频器能够提高劳动生产率、提升产品质量、实现设备的自动化、有效地节约能源。本文主要基于机械的负载特性和变频器的选择方法进行讨论。

1 机械负载特性及特性曲线

变频调速拖动系统是由变频器供电的电动机带动生产机械运转的系统，电力拖动系统的稳态工作情况取决于电动机和负载的机械特性。在生产实践中，负载的机械特性多种多样，从变频器选用的观点出发主要有

三类：

1.1 恒转矩负载

在不同的转速n下，负载的转矩T基本恒定，即T=常数，如输送机、起重机、挤压机等，机械特性n=f（T），如图1所示：

图1 恒转矩负载机械特性

1.2 恒功率负载

在不同的转速n下，负载的功率P基本恒定，即P=常数，如薄膜的卷取机械、机床主轴、轧机等，机械特性n=f（T），如图2所示。

1.3 二次方率负载

负载的转矩T与转速n的二次方成正比，即T=Kn2，如风机、泵类负载，其机械特性曲线如图3所示。

图2 恒功率负载的机械特性

图3 二次方率负载的机械特性

2 变频器的控制方式

在生产中，常见到的通用变频器主要有U/f控制变频器和矢量控制变频器。

2.1 U/f控制变频器

2.1.1 U/f控制的基本思想：三相异步电机定子每相电动势的有效值是：E=4.44krfNΦM。

在不损害电动机的前提下，要实现变频调速，提高电动机铁心利用率，发挥电动机转矩的能力，最好在变频时保持每极气隙磁通量ΦM为额定值不变。公式中与绕组结构有关的常数kr和定子每相绕组串联匝数N为固定值，则要想使磁通量不变的条件为E/f为常数。当电动势值较高时，绕组的漏磁阻抗可以忽略，定子的相电压U≈E，即U/f=常数。

2.1.2 U/f控制的应用：普通型U/f控制通用变频器为开环控制，无需速度传感器，控制电路简单。其特点是通用性强、性价比高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。SAMCO的SVF系列变频器、森兰的SB12系列、西门子的MICROMASTER430系列等都是普通型U/f控制通用变频器。

具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器，可使电动机的静态机械特性的硬度高于在工频电网上运行的硬度，因此，在动态特性要求不高的的情况，可以替代某些闭环控制，从而使闭环控制的开环化。富士的FRENIC5000G7/P7系列的通用变频器就是具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器。

2.2 矢量控制变频器

2.2.1 矢量控制的基本思想。仿照直流电动机调速的特点，将异步电动机的定子电流分成产生磁场的电流分量和与其垂直的产生转矩的电流分量，通过控制电动机定子电流的幅值和相位就可以确定电动机的转矩和转速。

2.2.2 矢量控制的应用。矢量控制分为有速度传感器和无速度传感器矢量控制两种，前者精度高，是性能最好的一种控制方式，适用于动态响应要求高的场合，使电动机得到很硬的机械特性；后者精度低，适用于动态响应要求不高的场合。英威腾的CHV系列、普传科技的PI7800系列变频器为矢量控制的变频器。

3 变频器的选择方法

3.1 类型的选择

按控制功能分类，把变频器分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器和矢量控制变频器。要根据负载的要求来选择变频器。

3.1.1 恒转矩负载。选择普通功能型变频器，必须适当加大电动机和变频器的容量来提高低速转矩。选择具有转矩控制功能的高功能型变频器，是比较理想的，因为这种变频器具有低速转矩大、静态机械特性硬度大、不怕冲击负载的优点，并且性价比很高。恒转矩负载下的传动电动机，如果是通用标准电动机，则应在低速下强迫通风冷却。

3.1.2 恒功率负载。对于轧钢、造纸、塑料薄膜加工线等对动态性能要求较高的机械，目前多选择矢量控制型变频器，因为矢量变频器能满足生产机械的高精度、快响应的要求。

3.1.3 二次方率负载。对于风机、泵类负载，由于转矩T与转速n的平方成正比，在低速下负载的转矩较小，因此可选择普通功能型的变频器。

3.2 变频器容量的计算

3.2.1 一台变频器控制一台电动机连续运行。选择变频器时应同时满足以下三个式子，其中变频器电流是一个较关键的量。

PCN≥kUMIM×10-3

ICN≥kIM

3.2.2 一台变频器控制多台电动机并联运行，且各电动机不同时启动。

当变频器短时过载能力为150%，1min时，如果电动机加速的时间控制在1min以内，则变频器容量的计算为：

当电动机加速时间控制在1min以上，则：

3.2.3 大惯性负载启动时变频器的容量计算。以下变频器容量的计算公式适用于起重机的平移机构、离心式分离机等大惯性负载的情况。

式中：

PCN―变频器容量

ICN―变频器的额定电流

η―电动机的效率

cosφ―电动机的功率因数

UM―电动机的电压

IM―电动机工频电源时的电流

k―电流波形的修正系数

nT―并联电动机的台数

nS―同时启动的台数

KS―电动机启动电流

GD2―换算到电动机轴上的总的GD2

3.3 用户考虑

3.3.1 人机界面的完善程度，是否能使编程和参数设置简单易学。

3.3.2 可靠性，在选型正确的前提下，电气性能参数是否富裕，是否能为它创造一个合适的环境条件，如温度、相对湿度、海拔高度、空气的腐蚀性等。

3.3.3 产品售后服务，好的变频器本身就具有故障诊断功能，以便快速地找出并排除故障，如果需要更换故障部件，良好的售后服务系统能尽快地得到备件，恢复生产。

在变频器已经被普遍应用的时代，对于如何选择生产设备所适合的变频器，是很多工程技术工作者面临的挑战，在选择的过程中一定要全方位地考虑所有细节、参数及主要性能，这样才能使系统有序可靠的运行，并达到节能的目的。

参考文献

[1] 杨一平.变频器原理与应用[M].长沙：国防科技

大学出版社，2009.

[2] 中国电器工业协会变频器分会组.低压变频器应

用手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 蒋麦占.机械的负载特性与变频器选择[J].工程

设计与研究，1999，（105）.

作者简介：雷蕾（1987―），女，黑龙江北安人，秦皇岛技师学院助理讲师，研究方向：电气工程、职业教育。