變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)大型電機(jī)上的應(yīng)用設(shè)計

吳震　張文磊

【摘 要】本文針對大型電動機(jī)變頻器的選用在設(shè)計中需要考慮的問題進(jìn)行了闡述，討論了電動機(jī)的問題、電纜的問題及廠房接地等方面全面的進(jìn)行了分析思考，并給出了比較穩(wěn)妥的設(shè)計方案，在可靠性要求較高的場合有著重要的參考意義。

【關(guān)鍵詞】循環(huán)水泵；變頻器；設(shè)計方案

0 引言

自20世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子技術(shù)、交流電動機(jī)調(diào)速控制理論等一系列關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)逐步成熟。在電氣傳動領(lǐng)域，變頻調(diào)速系統(tǒng)因效率高、性能好已成為主流。在國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排、綠色環(huán)保等戰(zhàn)略背景的推動下，變頻器產(chǎn)業(yè)具有非常巨大的市場潛力。

目前，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。廠礦、石油、輕紡、化工等風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，鋼鐵工業(yè)中的高爐鼓風(fēng)機(jī)、冶煉除塵風(fēng)機(jī)、傳送帶和水泵，牽引（包括船舶推進(jìn)）、油氣輸送都大量應(yīng)用了變頻技術(shù)。

隨著生產(chǎn)技術(shù)和制造工藝的發(fā)展，采用電力電子變換器的調(diào)速傳動系統(tǒng)在電氣傳動領(lǐng)域應(yīng)用的也從1995年兩千千瓦擴(kuò)大到今天的十幾萬千瓦，由于大型電動機(jī)在生產(chǎn)中的重要性較高，停機(jī)會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失 所以此類電機(jī)選用中壓變頻器的考慮與低壓變頻器有所不同，本文就大型工業(yè)電機(jī)變頻器的選型和設(shè)計結(jié)合自己工作中的實(shí)際例子談下應(yīng)該注意的問題。

1 大型工業(yè)電機(jī)調(diào)速變頻器的應(yīng)用方案

在變頻器應(yīng)用的范圍越來越廣泛的同時，功率也由于設(shè)備要求越來越大，由此廣大的電氣設(shè)備設(shè)計及使用人員就產(chǎn)生了一個問題，由于功率比較大的設(shè)備往往是在本電氣系統(tǒng)中擁有重要地位的設(shè)備，這就對其可靠性有相當(dāng)高得要求。選用變頻器固然可以更加方便快捷的完成無級調(diào)速，從而更加符合各種工藝對于電機(jī)速度的要求。但是增加的變頻器又是一個包含眾多電力電子器件的十分復(fù)雜的電氣系統(tǒng)，其可靠性對于系統(tǒng)的安全評估十分重要，因此會引起運(yùn)行維護(hù)人員對與系統(tǒng)安全的擔(dān)心。

變頻器設(shè)備制造商在這個問題上采用大量的先進(jìn)技術(shù)來改進(jìn)和保障設(shè)備的安全運(yùn)行。通常來講，評價變頻器性能的主要指標(biāo)有可靠性（變頻器行業(yè)內(nèi)的叫法）、網(wǎng)側(cè)諧波污染、輸入功率因數(shù)、輸出諧波、系統(tǒng)效率等。

作為設(shè)計人員為了保證設(shè)備的萬無一失可以在電氣主接線中采用旁路來提高系統(tǒng)的可靠性。本文以某大型核電廠的循環(huán)水泵的設(shè)計方案為例來簡要闡述下旁路變頻設(shè)計方案。

在江蘇某大型電廠二回路的循環(huán)水泵，由于工藝的需要進(jìn)行調(diào)速，該循泵電壓6.0kV，功率5600kW。經(jīng)過調(diào)查研究目前國內(nèi)市場上的變頻器的發(fā)展?fàn)顩r和安全可靠性能，最終決定采用變頻器加旁路的方式實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的調(diào)速。

旁路方案即指在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上輔以工頻旁路以備變頻器故障切換。這里要保證變頻和工頻的互鎖，有些變頻器由幾組變頻部件完成，當(dāng)某些部件故障時可以臨時降低功率運(yùn)行，不會造成系統(tǒng)直接停機(jī)，只有當(dāng)變頻完全損害時可以由工頻供電。其主接線如圖1示。

系統(tǒng)設(shè)置兩臺臺高壓斷路器，變頻器前設(shè)置一臺負(fù)荷開關(guān)。變頻運(yùn)行時，斷路器KA1，KA3閉合KA2打開，工頻運(yùn)行時KA1、KA2閉合KA3打開。循環(huán)水泵的電機(jī)采用適合變頻器要求的異步電動機(jī)，電機(jī)與循環(huán)水泵通過齒輪箱連接。齒輪箱保證循環(huán)水泵在變頻器故障切換至工頻運(yùn)行時，循環(huán)水泵仍能在工藝可接受的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。

變頻器故障時，水泵系統(tǒng)切換至工頻運(yùn)行的方式分為自動和手動，具體采用何種方式需根據(jù)實(shí)際需要和工況確定。在切換時，雖然電機(jī)定子側(cè)的磁場能量在分閘瞬間已經(jīng)釋放，但電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的磁場能量由于自身成一回路，其能量消耗需要一定的時間（一般為1～3s，與電機(jī)容量有關(guān)），此時轉(zhuǎn)子的磁場會在異步電動機(jī)定子側(cè)感應(yīng)出電動勢，當(dāng)同步檢測單元檢測到電動機(jī)的感應(yīng)電壓的衰減到允許范圍后，給出的切換命令或信號，由設(shè)定的自動操作裝置或人員手動切到工頻運(yùn)行。更為可靠的切換電路是采用同步檢測單元和ATS雙電源切換開關(guān)，因為ATS自帶的機(jī)械聯(lián)鎖對于實(shí)現(xiàn)電路切換更為可靠。一般來講，由于慣性在斷電的間隙循環(huán)水泵會繼續(xù)運(yùn)行，切至工頻后循環(huán)水泵即可進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2 大型電機(jī)用變頻器在電氣設(shè)計中的應(yīng)注意的問題

在變頻器帶來一系列控制領(lǐng)域的進(jìn)步的同時，變頻技術(shù)應(yīng)用到傳動中也產(chǎn)生了一些工程技術(shù)問題需要我們引起注意，并且有的需要及時進(jìn)行防護(hù)和解決。

2.1 選型原則

變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實(shí)現(xiàn)工藝要求，再考慮經(jīng)濟(jì)效益。

變頻器根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器，一般情況下這兩種類型的變頻器都可以滿足各類變頻要求需要，具體的使用要結(jié)合各自的特點(diǎn)和設(shè)備的具體情況來定。

這兩類變頻器可根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型：a.普通功能型V/f控制變頻器；b.具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能型V/f控制變頻器（也稱無跳閘變頻器）；c.矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。對于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩（T∝n■），低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通常可選擇普通功能型的變頻器。對于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速要求的機(jī)械采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能變頻器則是比較理想的。因為這種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機(jī)械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊。為了實(shí)現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大變頻器容量的辦法。對于要求精度高、動態(tài)性能好、響應(yīng)快的生產(chǎn)機(jī)械（如造紙機(jī)械、軋鋼機(jī)等），應(yīng)采用矢量控制高功能型通用變頻器。所以要首先明確自己的負(fù)荷要求再來選擇變頻器的類型。

2.2 變頻器容量的選擇

變頻器在確定了功能類型之后選擇容量，選擇容量要注意以下幾點(diǎn)：

（1）要根據(jù)機(jī)械對轉(zhuǎn)速（最高、最低）和轉(zhuǎn)矩（起動、連續(xù)及過載）的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率（即電機(jī)的額定功率最小值）。

（2）選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費(fèi)，可允許電機(jī)短時超出同步速度，但必須小于電機(jī)允許的最大速度。只有當(dāng)同步轉(zhuǎn)速與調(diào)速范圍相差較大抑或不經(jīng)變速箱輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法達(dá)到要求時才會加齒輪箱以保證工頻時電機(jī)的運(yùn)行速度滿足工藝轉(zhuǎn)速要求。

（3）變頻器容量大多可從三個角度表述：額定電流、可用電動機(jī)功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)額定電流要大于普通鼠籠異步電動機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動機(jī)不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多數(shù)是多電動機(jī)傳動。應(yīng)保持在無故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。

變頻器供給電動機(jī)的是脈動電流，電動機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機(jī)電流或功率大一個等級，一般為：

一般情況下變頻器的功率比電動機(jī)功率大10%足以滿足電機(jī)的電能需要，應(yīng)注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40℃或25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，在根據(jù)變頻器參數(shù)確定型號前要考慮由此造成的降容因素。

2.3 電動機(jī)選擇

由于變頻的載波頻率較高，電動機(jī)繞組要承受較高的沖擊電壓。另外電動機(jī)效率下降，轉(zhuǎn)速下降后產(chǎn)生的冷卻效果降低，這些都是應(yīng)該注意的。所以變頻調(diào)速后，包括變頻器和電動機(jī)損壞情況較多。如條件允許，可采用變頻調(diào)速專用電動機(jī)。

由通用變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速傳動系統(tǒng)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，采用PWM變頻器對異步電動機(jī)供電時，定子電流中不可避免的含有高次諧波，電動機(jī)空載運(yùn)行時的功率因數(shù)和效率將會更低，負(fù)載運(yùn)行時的鐵損也會有所增加。額定負(fù)載下電動機(jī)的電流增加約8%，溫升增高20%左右，這對于長時間工作在滿載或接近滿載狀態(tài)下的電動機(jī)而言是不可忽視的問題，故應(yīng)適當(dāng)加大電動機(jī)容量，以防溫升過高，影響電動機(jī)的使用壽命。

通用的標(biāo)準(zhǔn)鼠籠異步電動機(jī)的散熱能力是按額定轉(zhuǎn)速下且進(jìn)行自扇風(fēng)冷考慮的，當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下電動機(jī)調(diào)速運(yùn)行時，其發(fā)熱不變但低速下的散熱能力變差了，可采用另加恒速冷卻風(fēng)扇的辦法或采用較高絕緣等級的電動機(jī)。

2.4 變頻器的外部配置及應(yīng)注意的問題

（1）選擇合適的外部熔斷器，以便保護(hù)因內(nèi)部短路對整流元件的損壞。變頻器的型號確定后，若變頻器內(nèi)部整流回路前沒有保護(hù)硅元件的快速熔斷器，變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器和隔離開關(guān)，不能用斷路器代替熔斷器和隔離開關(guān)。

（2）選擇變頻器的引入和引出電纜

a.變頻器的進(jìn)線電纜由于是變頻器與電網(wǎng)連接的地方，很容易收到變頻器諧波的影響，為了防止電纜中高次諧波對電網(wǎng)側(cè)的各種保護(hù)產(chǎn)生誤動作，宜采用屏蔽動力電纜。

b.變頻器的輸出電壓中確實(shí)含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機(jī)負(fù)載影響較大，由于磁通能量變化引起轉(zhuǎn)矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機(jī)出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。變頻器輸出電壓還因V/f特性的關(guān)系，在低頻時輸出電壓很低，因此必須重視變頻器與電動機(jī)之間的導(dǎo)線壓降，變頻器與電動機(jī)之間的導(dǎo)線不宜過長，導(dǎo)線的線徑除滿足載流量外，還要求導(dǎo)線壓降不大于實(shí)際工作電壓的2%左右。

c.控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部用穿線管屏蔽。

d.電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90°角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。

（3）大功率電機(jī)的變頻器的接地問題

對于小型小功率的電氣控制系統(tǒng)，如果系統(tǒng)地線與保護(hù)地線不分，系統(tǒng)還是可以正常工作的。但是，對于如軋鋼機(jī)、集裝箱提升設(shè)備等用高壓大功率變流裝置，系統(tǒng)抗干擾能力和安全保護(hù)可靠性的要求尤為突出，必須實(shí)施系統(tǒng)地線與保護(hù)地線的分離。

系統(tǒng)保護(hù)地母線一般采用與廠房鋼結(jié)構(gòu)連接而實(shí)現(xiàn)良好接地，而對于整個控制系統(tǒng)的系統(tǒng)地及屏蔽地通過地線匯流排連接至符合標(biāo)準(zhǔn)的單獨(dú)接地極接地。地線匯流排一般要采用25m㎡以上大截面絕緣導(dǎo)線或鍍絕緣漆銅排，以保證一點(diǎn)接地。此時要注意屏蔽的接地電極與變壓器N線等其它強(qiáng)電設(shè)備接地電極的距離大于15m。變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好。變頻器的接地應(yīng)和動力設(shè)備的接地點(diǎn)分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地。

3 綜述

綜上所講，變頻器隨著技術(shù)發(fā)展正在大功率設(shè)備的傳動領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，我們?yōu)榱藨?yīng)對各種越來越高的工藝要求，設(shè)計出好的電氣方案，就要對高壓變頻器的特點(diǎn)和出現(xiàn)的問題進(jìn)行詳細(xì)的了解和掌握，本文根據(jù)筆者自己的工作中碰到的一些問題進(jìn)行了歸納和總結(jié)，希望對各位同行的以后的工作有所助益，亦為拋磚引玉望能得到各位專家前輩的批評指導(dǎo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[Z].4版.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]