变频器与负载的配置优化方案

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：不少国家或地区都有变频器负载的标准，我国与国际电工委员会也有相应的标准。根据上述分析，变频器产品应该有符合国家有关标准的负载额定值。从变频器的选用观点出发，需考虑机械负载各种各样的性能。

不少国家或地区都有变频器负载的标准，我国与国际电工委员会也有相应的标准。例如，将变频器的工作等级或运行种类分为6级：第1级为100%额定输出电流，没有负载的可能性；第2级允许输出基本负载电流，并在此基础上可有150%的短时过负载运行，要注意的是，由于有了短时的150%过负载，故较长时间的基本负载就只有额定输出电流的91%，150%过负载是对基本负载电流而言的，对额定电流而言则相对值=150%×90%=135%；第3～6级则过负载更大或时间更长。目前市售产品标准型或通用型一般只涉及第2级。

变频器为什么必须有负载工作制种类和等级的国家标准，而变压器、通用电动机却没有？这是因为后者的发热时间常数大，如常用电力变压器是以小时计，短时过负载不至于使温升超过允许值，即使温升短时间稍微超过，也不会使其寿命立即终止和退出运行；但半导体器件及其装置的时间常数小，通常以分钟计，而且过负载超温对半导体器件的后果比较严重，所以通常都为半导体电力电子装置规定了严格的负载条件，即基本负载电流、过负载电流及持续时间和额度。在完全没有过负载可能的条件下，输出电流称为额定输出电流。根据上述分析，变频器产品应该有符合国家有关标准的负载额定值。

从变频器的选用观点出发，需考虑机械负载各种各样的性能。如机械转矩有正负之分，其定义如下：凡电动机驱动生产机械即电动机输出机械功时转矩为正，绝大多数场合都是这种情况；反之则为负，即生产机械对电动机做功，如电动机车下坡行驶，定义为负转矩，这种情况不是大多数机械设备都有的。速度有正负之别，则是人为决定的。例如常用转向为正，偶尔用之的为负；如果只有一个方向运行，则可无正负之分。

1.机械转矩的时段

对于机械设备要求转矩的大小，可以分成几个时段来讨论。

（1）起动转矩

使机械设备从静止状态开始转动的转矩通常都为正，而且一般比维持等速运动时需的转矩要大，例如大多数给料机、物料输送机、混料机、搅拌机等，它可能达到额定转矩的150%～170%，这就要求变频器有大的起动转矩。当然，也有很多通用机械设备的起动转矩小于100%，如离心式分机和水泵，可能小至25%。泥浆泵和往复式柱塞泵的起动转矩也可能达到150%～170%。

（2）加速转矩

将机械设备从刚开始转动加速到额定转速时所需的转矩，其值为机械静阻转矩与动转矩之和，动转矩则和其飞轮转矩GD²以及要求的加速度大小成正比。

一般风机、水泵的加速转矩不大，可以不超过100%。但也有一些特殊情况，如大功率风机GD²很大，加速困难；离心式水泵开阀门时加速转矩可达到100%，而其他形式的泵可能达到150%或更大；轧钢机等在要求尽量缩短加速时间时，要求加速转矩越大越好，重物下放则可能使加速转矩为负。

（3）等速运行中出现的尖峰负载转矩

这是生产工艺中出现的不可避免的正常情况，例如矿石破碎机遇到较大的矿块时，电动机需要输出大的功率以帮助破碎。因为这是正常情况，所以不能使电动机过电流跳闸，这就要求变频器输出大的电流。这种尖峰负载出现的额度事先很难估计。等速运行时的速度可以是额定速度，也可以是很低的爬行速度，如载人索道在车厢接近站台时，就是以很低的爬行速度运行的。如果是重车厢上坡，则可能过负载，这就要求变频器在减速下输出大的电流。如果是重车厢下坡爬行。则为负转矩。

（4）减速转矩

大多数情况下，断开电动机电流就能减速停车，只是对减速有严格要求的场合才需要电动机输出或输入能量，输出的能量或消耗在电阻中，或反馈给电网，这要根据反馈能量和频率的大小来决定。在重物下放且要求大的减速时，会出现大的减速转矩，而且是负的。当然，要求正转矩减速的场合也是有的。

2.变频器的定额

市场上变频器的品牌规格很多，本文仅限于讨论从欧美进口且是低压的产品，变频器的速度调节性能比较见表9-1。

表9-1 部分变频器的额定参数

①1336FORCE型是AB公司适用于四象限传动的高性能产品，实际上提供的数据室速度调整率：带编码器则最大速度的0.001%在100∶1速比内，开环则最大速度在1%在40∶1速比内。n∗=（n/n_N）×100%，其中n为实际转速，n_N为额定转速。

②AB公司实际上提供的数据是转矩调整率为电动机额定转矩的5%。

③ABB公司提供的是转矩重复性误差。

④在转矩调节时的值。

（1）美国AB公司对1336FORCE型变频器的规定（如下）

1）电网电压：380～480V；

2）恒转矩输出电流：75A；

3）变转矩输出电流：77A；

4）周期性过负载能力：变转矩115%、1min；恒转矩150%、1min。

（2）德国西门子公司对SIMOVERT-MASTER-DRIVE型变频器FC（频率控制）、VC（矢量控制）规定（如下）

1）额定输出电流I_UN：无过载可能，适用于风机、水泵。

2）基本负载电流：I_B=0.9I_UN，短时电流=1.36×I_UN，每5min允许过载1min，适用于恒转矩的一般负载。

（3）瑞士ABB公司对ACS-600系列产品的规定（如下）

1）泵类、风机应用，无过载能力，额定输出电流有效值为I_2NSg。

2）一般应用：10%过载能力，额定输出电流有效值为I_2N；I_2Nmax=1.1I_2N，每10min允许过载1min。

3）重载应用：50%或100%过载：额定输出电流有效值为I_2Nd。

3种电流的关系如下：I_2NSg>I_2N>I_2Nd。

上述3种产品定额中，AB公司变频器转矩115%、1min，115%只超负荷15%，而且没有规定过负载的额度，恒转矩150%、1min，也没有过负载的额度；ABB公司和西门子公司产品也都规定明确，是根据欧洲标准中有关产品的输出定额制定的。

3.根据机械负载选择变频器

（1）变转矩负载

在泵类、风机上又称为平方转矩负载，实际上，转矩是近似地与速度的二次方成正比。如果产品输出定额一点过负载能力都没有，则负载仅限于离心式水泵、风机。对其他形式的泵和风机要分析其实际过负载的可能性，在确认没有过负载可能的前提下，当变频器产品输出电压为380V时，产品数据标出的电动机功率P=3×0.38I_Ncosφ（I_N为额定输出电流），可以根据它来选择变频器的规格。为确保运行可靠，变频器的电流限幅也应该在100%。

AB公司的1336FORCE型有15%、1min的过载能力，由于没有规定额度，估计在起动和加速时可以利用，电流限幅也可以放宽到115%。特别是GD²比较大的离心式风机，有可能要求较大的加速转矩，因而使电流确实达到115%、1min。离心式水泵、风机在低速时功率小，要求的调速范围不大，故对变频器的性能要求不高。

（2）恒转矩负载

恒转矩负载是指负载转矩与转速无关，任何转速下转矩均保持恒定。恒转矩负载又分为摩擦类负载和位能式负载。

摩擦类负载的起动转矩一般要求额定转矩的150%左右，制动转矩一般要求额定转矩的100%左右，所以变频器应选择那些具有恒定转矩特性，并且起动和制动转矩都比较大，过载时间长和过载能力大的变频器，如三菱FR-A540系列变频器。

位能式负载一般要求大的起动转矩和能量回馈功能，能够快速实现正反转，变频器应选择具有四象限运行能力的变频器，如三菱FR-A241系列变频器。

4.恒转矩下的调速和转速范围

（1）调速范围

调速范围是生产工艺要求所确定的，在最低速度下要求的力矩大小则是最关键的。这不但决定于变频器的性能，同时也决定于电动机在低额下的机械特性，即低速稳定旋转下能够产生的最大转矩。用户若有要求，电动机制造厂应提供变频调速电动机的转矩速度特性曲线或数据。为了使电动机在各种速度下的输出转矩能都大于生产机械所要求的，还要求变频器能够提供一个合适的接近理想的变频电源，即在不同频率下有合适的电压和足够的电流输出能力，而不会使变频器过热。只有变频器和电动机合成一个变频调速系统，且两者均符合要求才能获得低速下的大转矩。ABB公司对ACS-600产品提供了系统的转矩对频率的特性曲线，电动机性能则应符合IEC34标准。至于哪些机械对低速下的转矩有特殊要求，用户或工程设计者应认真分析和对待。有人认为牵引传动对低速范围要求不高，和风机、水泵同属一类，这是不符合事实的。牵引负载分为轻型、中等和重型牵引三类，就是轻型牵引也有150%过载运行2min和200%过载运行10s的要求，这和水泵、风机是大不相同的。

（2）转速范围

转速精度和调速范围有密切的关系。转速精度太差的产品在速度最低时就可能停止转动。用户有特殊的要求时，应该分析产品的技术数据。

变频器与负载的配置优化方案

相关推荐