交流电机变频调速器的应用分析

2022-09-11

随着电力技术的迅速发展, 交流电机变频调速技术取得了突破性的进步, 进入了普及应用阶段。在我国, 变频调速器也正越来越广泛地被采用, 与此同是地, 如何正确地选好、用好已成为广大用户十分突出的问题了。

1 关于容量选择

在变频调速器的说明书中, 为了帮助用户选择容量, 都有“配用电动机容量”一栏, 然而, 这一栏的含义却不够确切, 常导致变频器的误选。

各种生产机械中, 电动机的容量主是根据发热原则来选定的。就是说, 在电动机带得动的前提下, 只要其温升在允许范围内, 短时间的过载是允许的。电动机的过载能力一般定为额定转矩的1.8～2.2倍。电动机的温升, 所谓“短时间”至少也在十几分钟以上。而变频调速器的过载能力为:150%, l分钟。这个指标, 对电动机来说, 只有在起动过程才有意义, 在运行过程中, 实际上是不允许载。

因此, “配用电动机容量”一栏的准确含义是“配用电动机的实际最大容量”。实际选择变频器时, 可按电动机在工作过程中的最大电流来进行选择, 对于鼓风机和泵类负载, 因属于长期恒定负载, 可直接按“配用电动机容量”来选择。

2 传动系统进行优化设计

交流异步电动机经变频调速后, 其有效转矩和有效功率的范围。配用变频调速器时, 必须根据生产机械的机械特性以及对调速范围的要求等因素, 对传动系统进行优级化设计, 优化设计的主要内容和大致方法如下。

2.1 确定电动机的最高运行频率

(1) 鼓风机和泵类负载, 这类负载的阻转矩TL与转速n的平方成正比TL=KTn2, 输出功率PL与转速的在次方成正比PL=KPn3, (KT和KP为常数) , 由此可知, 如转速超过额定转速, 负载的转矩和功率将分别按平方律和立方律增加, 因此, 在一般情况下, 不允许在额定频率以上运行。

(2) 一般情况下, 各种机械的强度、振动以及耐磨性能等, 都是以电动机转速不超过3000r/min为前提设计的。因此, 在没有对机械重新进行设计的情况下, 2级电机的最高运行频率不要超过额定频率太多。

(3) 当异步电机在额定频率以上运行时, 由于电源电压是恒定的, 其在调到fx时电磁转矩Tx近乎和频率调节比Kf的平方成反比, 即T≈TN/Kf2 (而TN为额定频率fN时的转矩) 。因此, 最高运行频率不宜超过额定频率

(4) 异步电机在低频下运行时, 为了获得足够的转矩, 常需进行转矩补偿。而转矩补偿将使电机的磁路趋于饱和, 从而增加附加损失, 降低了效率, 因此, 只要情况许可, 应尺可能地提高运行频率的上限。

2.2 确定传动系统的传动比并校核电动机的容量

(1) 鼓风机和泵类负载, 一般均为直接驱动, 不必考虑传动比的问题。

(2) 恒转矩负载, 首先, 根据有效转矩线以及所要求的频率调节范围, 确定电机运行的最高频率和最低频率。

假设已经确定的电动机最高运行频率为fmax最低运行频率为fmin与此对应的转矩相对值为tTL, 则电动机的额定转矩Tn=TL/qTL (TL负载转矩) 。如果原选电机并未留有余量的话, 则配用变频调速器后, 电动机的容量应扩大1/tTL倍。传动系统的传动比入等于电动机在最高运行频率下的转速nDmax负载所需求的最高转速nLmax之比。

(3) 恒功率负载:和恒转矩负载类似, 首先根据有效功率线和频率调节范围, 求出电动机运行频率的上、下限。

同样, 在求出最高和最低运行频率的同时, 得到对应的功率相对值tPL, 而电动机的额定功率PN≥PL/tPL (PL为负载要求功率) 。

在设计恒功率负载时, 应注意两点: (1) 尽量多利用额定频率以上的部分; (2) 当调整范围较大时, 尽量采用两档传动比。因为当传动比分成两栏时, 频率范围αf与αn转速范围之间的关系为。可见, 在转速范围相同的情况下, 频率范围将大为减小, 从而可减小电动机的容量。

负载的机械特性, 因是恒功率负载, 故曲线上任一点的横坐标与纵坐标的乘积均相等, 且与负载功率成正比, 即PL=KPTLnL=KPTLmaxLmin。全部转速都在额定频率以下调节时的有效转矩线, 在这种情况下, 所需电动机的容量P N=K P T N n L m a x>K P T L m a x L m a x=αnPL。这说明, 所需电动机的容量比负载功率的On倍还要大, 是很不经济的。

⑴当最高运行频率为额定频率的2倍, 传动比只有一档时的情形。在这种情况下, 所需电机的容量PN=KPTN1/2nLmax 1/2αnPL。可见, 所需用容量只要大于负载功率的On/2倍就可以了。

⑵当最高运行频率为额定频率的2倍, 传动比为两档时的情形。这时, 所需电机的容量PN1/2 PL。可见, 对于恒功率负载, 当αn>4时, 这种方案是比较理想的。