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變頻器的容量（liàng）選擇及應用分析

2020-2-6 來源：山西晉煤集團作者：原康康

摘要：介紹了（le）變頻器工作（zuò）過程中的能量流動變化，並分（fèn）別（bié）從電機容量、操（cāo）作（zuò）方法、操作模式等方麵對（duì）變頻器容量的選擇進行了闡述，為變頻器的容（róng）量選擇提供了參考意見，並以趙莊礦（kuàng） 5311 工作麵順槽（cáo）的皮帶機驅動係統進行了驗證。

關（guān）鍵詞：變頻器電機容（róng）量操作模式能量（liàng）流動

1、變頻（pín）器容量的概念

根據變頻器的工作原理，本（běn）節通過變頻器在工作（zuò）過程中的能量流動變化情況來闡述其容量這一（yī）概念。

1.1 加速（sù）或者恒速運行過程

在（zài）電機的增速和恒速工作過程中，變頻器輸出（chū）端的電流值可視為其效能，即作為供電電源能夠為電（diàn）機提供的電流值，如圖（tú） 1 所（suǒ）示（shì）。在實際應用過程中，變頻器（qì）的實際效能是（shì）由內部元器件決定的，最（zuì）終體（tǐ）現為效能的（de）是其電流值。

1.2 減速運行過程

在減速過程中，與（yǔ）變（biàn）頻器相連接的電機變成了發（fā）電機，負載端的動能可以通過變（biàn）頻器轉換為電能，因此，能量由電機流向變（biàn）頻器。此時，根據（jù）變頻器的不同類型，可以將電能（néng）反饋到電網（wǎng），或者通過（guò）電機和（hé）變頻器消耗掉（diào）這些電能。如（rú）果（guǒ）是四象限變（biàn）頻（pín）器，那麽負載端返回的能量也升高變（biàn）頻器內（nèi）部電容兩端電（diàn）壓值。

2、容量選擇的要點

變頻器的容量選擇需要考（kǎo）慮的（de）因素有電機（jī）容（róng）量、操作方法、操（cāo）作模式（shì）等。

2.1 電機容量

變頻器的控製模式會對（duì）變頻器的工作性（xìng）能產生影響：V/f 模式下，低（dī）頻區（qū）的輸出扭矩比工頻（pín）時扭矩小，同時會（huì）使電機的溫度升高。

2.2 操作方法

電機（jī）電流（liú）值（zhí）之和必須小於變頻器的額定電流值，這是進行變頻器容量選（xuǎn）擇的第一要素。通常的操作方法如下：

1）單台變頻器（qì）驅動（dòng）多台（tái）以上電機（同時驅動和順序啟動）。

2）單台變頻器驅動單台（tái）電機。

3）變頻器既可以驅動單台電機（jī）也（yě）可（kě）以驅動多台電機。當采取一拖多（一台變頻器驅動多台電機）時尤其需要變頻器具有較高（gāo）的（de）製動，這（zhè）種（zhǒng）方案的經濟性（xìng）很差，同時會由於操作方式的變化，造成變頻器容量和驅動方式的不匹配。當采取一拖多（一（yī）台變頻器驅動多台電機）時，變頻器內置的過流保護（hù）功能將（jiāng）失效，必須在各電機上額外安（ān）裝熱保護繼電器。當電機長（zhǎng）時間處於低速運行狀態，其發熱量會大（dà）大增加，必須額外安裝溫度檢測器（qì），對電機進行保護。

4）當采取一拖（tuō）一的方式，便可選（xuǎn）擇矢量控製方（fāng）式。矢量控製是根據測量到的電流、電壓和磁通等（děng）數據，結合電機內部的電阻電感等參數（shù）計算出當前的轉速和位（wèi）置，並進行必要的修（xiū）正，從而在不同頻率下（xià）運行時（shí），得到更好的控製（zhì）模式。

2.3 操作模（mó）式

負載要求（qiú）加減速（sù）的時間也會對變頻器容量選擇產（chǎn）生影響，因此在進行容量選擇時，不（bú）僅要考慮電（diàn）機的工作電流，還要（yào）考慮設備所（suǒ）需要（yào）的（de）加減（jiǎn）速時間。例如，在提（tí）升機或者機（jī）床等應用場合，選型之前（qián），要充分的考慮實際（jì）應用中的（de）各方需求。

電機的基本操作模式（shì）分為啟動、加速、恒速、減速及停止。每一階段的選擇要點如下頁圖 2 所示。

2.3.1 啟動

在電機的啟動點，需要滿足的條件是：電機輸出扭矩（jǔ）大於負載扭矩。如（rú）下頁圖 3 所示，變頻（pín）器的輸出曲線中存在死區，在 0~A 之間，電機不動。在 A 點處（chù），頻率必須要小於最（zuì）大（dà）啟動頻率，否（fǒu）則電（diàn）機無法（fǎ）啟動。

2.3.2 加速（sù）

在（zài）加速過程中，電機的輸出扭矩要大（dà）於加速時所需的扭矩。加（jiā）速一（yī）般有線性加速和非線性加速兩種方式。線性加速的特點（diǎn）是沒有失速預防（fáng），而非線性加速能夠通過電流的限定達到預防失（shī）速的（de）功能。通常所采（cǎi）用的（de）加速方（fāng）式是非（fēi）線性加（jiā）速。加速時的能量流動如圖 4 所示。

2.3.3 減速

減速過程即為製動過程，由（yóu）電機損耗和變頻（pín）器（qì）損耗決定。其確定方式為：如果所（suǒ）選擇的（de）變頻器具有內部製動功能，則製動扭（niǔ）矩（jǔ）由變頻器的損耗決定；反之，則由電機的損耗決定。為提高製動扭矩，可在選擇具（jù）有（yǒu）製（zhì）動功能的變頻器的基礎上（shàng）增加變頻器容量（liàng）。

如果所需的製動容量較大，那就應當選擇能量返回模塊（kuài）或者選擇內置能量（liàng）返回功能的變頻器，能量返回的作用是將製動過程中產生的（de）能量返回到電源端，同時在電機減速過程（chéng）中提供製動力。

製動過程中，變頻器返回的能量全部由製動（dòng）晶體（tǐ）管所消耗（hào），因此，若要求變頻器有良好（hǎo）的製動扭矩，在製動過程中製動電阻的溫升會比較大，需要實時監測其溫升，防止其因過（guò）熱而損壞。製動扭矩由（yóu）製動電阻值決定，同（tóng）時還決（jué）定了製動過程中的再生電（diàn）流值（zhí），該電流值持續作用在製動電阻上（shàng），會造成製動（dòng）電（diàn）阻大（dà）量發（fā）熱、溫度升高，甚至超過其額定溫度，對（duì）變頻（pín）器（qì）造成損（sǔn）害。因此，對於提升機類產品，應當核（hé）算驗算製動模塊的熱容量，並且（qiě）可通過增加製動（dòng）模塊提高變頻器的製動能力。

2.3.4 電機溫升

影響電機溫升的因素主要有（yǒu）兩個，一個是運行方式；另一（yī）個是電機（jī）自身的材料。電機的運行方式有兩種：連（lián）續運轉和周期運轉，電機自身的材料決定了電機（jī）本省的耐熱能力。

在選擇過程中，小容量標準電機可以選擇 E 級和 B 級，中等容量電機可以選用 F 級。當環（huán）境溫很（hěn）高時或者要求不改變電機的（de）尺寸而增加扭矩時，可選用高絕緣等級的電動機。

3 、變頻器（qì）容量應用情況分析

晉煤集團趙莊煤業（yè） 5311 工（gōng）作麵進風順槽，原煤輸送方式采用皮帶（dài）機輸送（sòng），根據順槽長度和皮帶機型號，分三條 1.4 m 皮帶（dài）機輸送，皮帶機之間采用（yòng）前後搭接的方式（shì）。中（zhōng）間皮帶機采用了變頻（pín）驅（qū）動係統，皮帶機長度約 1 200 m，總體為 1.5°下坡（pō）布置。係統（tǒng）由（yóu）3 台變頻器和 3 台電機並聯驅動，係（xì）統框圖如下頁圖 5 所示，驅動方式（shì）為主從驅動，滾筒 1 的變頻器作為主機，與電（diàn）機相連後，安裝（zhuāng）在滾筒的一端；滾筒 2的左右兩側（cè）分（fèn）別安裝了 1 套變（biàn）頻器和電機作為從（cóng）機驅動；從（cóng）機與主機共同分擔負載。從機在運（yùn）行過程中，可以接收（shōu）主機和（hé）主控器的信號（包（bāo）括轉矩信號和速（sù）度信號），與主機同（tóng）時工作，這種工作方式（shì）可以在重載啟動、急（jí）停等（děng）特（tè）殊工況下，保（bǎo）證整（zhěng）體係統在轉速、扭矩理想（xiǎng）曲線的精確控製（如重（chóng）載啟動、急停），多機功率平衡（héng），減少衝擊。皮帶機滾（gǔn）筒采用電機直接驅動，皮帶機滾筒轉速為 66.5 r/min，啟動過載為三倍額定轉矩，持續時間不超過 1 min。

係統中電機容量為 400 kW×3=1 200 kW，單台變頻器驅動單（dān）台電機，最大啟動過載為 3 倍額定轉矩，因此選用的（de）變頻器可（kě）滿足工況（kuàng）要求。

4 、結語

在煤礦生產過程中變頻器已經成為一種新型的驅動方式，可保證電機等（děng）設備的合理穩定運行，大大提高設備運行效率，降低能耗。根據設（shè）備的電機容量、運行方式（shì）確定變頻器的容（róng）量、操作方法、操作模式（shì），能夠（gòu）大大提（tí）高設備在重載啟動、急停等工況下的控製精確（què）性，提高設備（bèi）運行穩定（dìng）性，滿足（zú）煤礦生產需求，保證（zhèng）礦井綜采工作麵的安全高效運行。

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