恒轉矩工作的電力傳動中變頻器的選擇

1、恒轉矩工作的電力傳動中變頻器的選擇1  引言    在電梯升降的傳動系統(tǒng)中，帶短路轉子（鼠籠式）雙速異步電動機已獲得普遍推廣。為了改善電梯驅動中的儲能節(jié)電特性，經(jīng)常在傳動系統(tǒng)中采用帶變頻器的異步電動機。此外，通過可調的電力傳動，能充分利用電動機的功率。對雙速的異步電動機，功率利用系數(shù)為75%；對帶變頻的異步電動機，功率的利用率可達到8590%。參考文獻中詳細討論了電力拖動中對電動機的選擇問題以及變頻器的運行情況。但對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系統(tǒng)成本的主要部分，故對變頻器的選擇是特別迫切和現(xiàn)實的問題。近代文獻中，?？梢姷娇烧{電

2、力傳動中，如儲能、節(jié)能之類的性能介紹，但有關變頻器的能耗及其選擇方法卻報導不多。2  變頻器的組成結構    變頻器廣泛應用于低壓領域的異步電動機運行。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)是通過微處理器實現(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工況的三極晶體管；4確保制動工況的電阻器；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中還標示了電網(wǎng)側的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    選擇變頻器時，為了獲得電力傳動最佳的技術經(jīng)濟指標，必須將電網(wǎng)、異步電動機及機械傳動的特性進行比較。實際上所有變頻器的主導生產公司：西門子、日立、KEB、Omron、ABB，都有一套適用于電梯驅動所需的標準功能，包括：    （1）按S形曲線給定的加速時間與制動時間；    （2）異步電動機的電流保護(最大電流，時間電流曲線)；    （3）異步電動機的溫度保護；    （4）電網(wǎng)電壓波動的

4、保護；    （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)出指令的電梯室運動圖形。圖2  電梯室運動圖     在自動工況下的工作周期包含以下階段：準備工作；電力保持；電梯室加速；全速運動；電梯室減速；延遲；電梯室制動；電力保持。    自電梯站的準備工作完成以后，給出完成工作的零位速度（V

5、0）信號，發(fā)送至異步電動機的定子繞組。一旦運動指令到達，電力傳動即按S形曲線將電梯室加速至給定電位的速度（Vm）。當接近這一階段時，電梯室的運動開始減速到達延遲速度（Vs）。而且，采用可調的電力傳動時，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的過渡階段。    大多數(shù)情況下，各種不同變頻器的差別在于：有或者沒有能控制異步電動機的附加成套功能?？刂茀?shù)包括：電動機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結果確定的。同時，采用了有功電阻作為負荷。4  變頻器的選擇    變頻器的選擇分三個步驟：    （1）預選（計算輸出電流）；    （2）建立電力傳動整個電氣過程的數(shù)學模型(綜合控制回路的調節(jié)，檢驗按轉矩選擇異步電動機的正確性，檢驗按電流選擇變頻器的正確性檢驗最大電流及時間電流的保護)；  &#

7、160; （3）由試驗證實計算的結果    變頻器的預選是計算輸出電流。此時，須要考慮到輸出是在有功負荷情況下確定的變頻器電氣參數(shù)，同時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。對比示波圖形以后，無論在低頻部分（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    負載情況下，由正弦電源電壓操作的電動機電流    I1=0.1047Mn/(cos3×380)                     

9、     （1）    式中，n轉速，r/min；M電動機軸轉矩；產品說明書中電動機的效率值；cos產品說明書中電動機的功率因數(shù)。    計及變頻器輸出電壓的非正弦性，按式(1)求得的電流值應增大：   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，系數(shù)K1與電壓和電流一次諧波系數(shù)的乘積成反比。因為電力傳動運行在不同的工況和不同的轉速下，電流值按傳動的最大負荷計算。預選變頻器的另一問題是對能量消

12、耗的估算。為了估算能耗，應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，與載波的脈寬調制（PWM）成比例，這可屬于與變頻器負荷無關的損耗。也即，直流回路中的損耗。多數(shù)變頻器，其損耗的比例關

13、系可用以下方式預估：整流器中損耗40%；與負荷無關的直流損耗（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，整流器中的損耗與輸入給變頻器的功率和電動機要求的功率成比例；自控逆變器中的損耗與電動機軸端轉矩成比例。    下面，對載重量400kg和電梯室升降速度1m/s的電梯，列舉一選擇變頻器的實例。對于電力傳動來說，選擇電動機為APM132M6，其動力指標為：效率=86%，功率因數(shù)cos=0.81；當負荷為85%時，電動機的額定電流I1=14.6A。    計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)相對應，接入異步電動機的最大功率為7.5kW。分析了起動時的損耗，我們采用起動期間的平均功率為3880W，電動機軸端轉矩64.8Nm。此時損耗數(shù)據(jù)如表2所列。表2  損耗數(shù)據(jù)5  變頻器的建模    下面針對變頻器中能量轉換過程的數(shù)學模型進行討論。提出了用矩陣實驗室（Matlab）軟件建立的模型（Matlab被稱為三大數(shù)學軟件之一），相應于變頻器主接線圖（圖1）的結構圖，示于圖5。圖5 研究電

15、力傳動能量過程的結構圖    構成數(shù)學模型時，采用了以下假定：    （1）不考慮與異步電動機負荷無關的直流損耗；    （2）不考慮電動機等值電路參數(shù)與頻率的關系；    （3）不考慮電動機繞組的波動性。    對于電力傳動，功率的平衡方程為：   PBX=PPP2          （4）   

16、 式中，P2異步電動機的輸出功率；P電動機中的總損耗；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轉矩；n轉速。    輸入電動機的功率     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。    自動操作的電壓逆變器中損耗    PAH= UDCIDC-P1 （9）                    &#