恒转矩工作的电力传动中变频器的选择

1、恒转矩工作的电力传动中变频器的选择1  引言    在电梯升降的传动系统中，带短路转子（鼠笼式）双速异步电动机已获得普遍推广。为了改善电梯驱动中的储能节电特性，经常在传动系统中采用带变频器的异步电动机。此外，通过可调的电力传动，能充分利用电动机的功率。对双速的异步电动机，功率利用系数为75%；对带变频的异步电动机，功率的利用率可达到8590%。参考文献中详细讨论了电力拖动中对电动机的选择问题以及变频器的运行情况。但对变频器的选择并未引起重视。而且，考虑到变频器是组成传动系统成本的主要部分，故对变频器的选择是特别迫切和现实的问题。近代文献中，常可见到可调电

2、力传动中，如储能、节能之类的性能介绍，但有关变频器的能耗及其选择方法却报导不多。2  变频器的组成结构    变频器广泛应用于低压领域的异步电动机运行。变频器由输入端的不控整流器，直流回路和自控逆变器等组成。这一变频器的控制系统是通过微处理器实现的。图1为变频器的电气主接线图。图1中1三相不控整流器；2直流环（回路）；3带反接二极管及确保制动工况的三极晶体管；4确保制动工况的电阻器；5基于IGBT（绝缘栅双极晶体管）带反接二极管组成的自控逆变器。此外，图1中还标示了电网侧的AC（交流）扼流线圈和DC（直流）扼流线圈，但这不是必备的变频器元件。图1 变频器

3、的电气接线图3  变频器用于电梯电力传动    选择变频器时，为了获得电力传动最佳的技术经济指标，必须将电网、异步电动机及机械传动的特性进行比较。实际上所有变频器的主导生产公司：西门子、日立、KEB、Omron、ABB，都有一套适用于电梯驱动所需的标准功能，包括：    （1）按S形曲线给定的加速时间与制动时间；    （2）异步电动机的电流保护(最大电流，时间电流曲线)；    （3）异步电动机的温度保护；    （4）电网电压波动的

4、保护；    （5）四象限工作；    （6）由备用电源(蓄电池)供电的可能性；    （7）能操控传动工作的模拟/数字输入，以便与电梯站通讯联系。    图2所示为按电梯站发出指令的电梯室运动图形。图2  电梯室运动图     在自动工况下的工作周期包含以下阶段：准备工作；电力保持；电梯室加速；全速运动；电梯室减速；延迟；电梯室制动；电力保持。    自电梯站的准备工作完成以后，给出完成工作的零位速度（V

5、0）信号，发送至异步电动机的定子绕组。一旦运动指令到达，电力传动即按S形曲线将电梯室加速至给定电位的速度（Vm）。当接近这一阶段时，电梯室的运动开始减速到达延迟速度（Vs）。而且，采用可调的电力传动时，延迟速度Vs从给定值的1/41/3减少到给定速度Vm的1/10及以下。根据电梯站的指令，在行程功能中，存在由延迟速度到电梯停运的过渡阶段。    大多数情况下，各种不同变频器的差别在于：有或者没有能控制异步电动机的附加成套功能。控制参数包括：电动机相同功率下的额定输出电流，变频器中的损耗以及变频器的效率。表1列出若干生产厂家、公司的变频器基本电气特性。 &

6、#160;   表1   变频器基本电气特性    变频器的电气参数，如电流、效率、损耗，是按额定工况下的试验结果确定的。同时，采用了有功电阻作为负荷。4  变频器的选择    变频器的选择分三个步骤：    （1）预选（计算输出电流）；    （2）建立电力传动整个电气过程的数学模型(综合控制回路的调节，检验按转矩选择异步电动机的正确性，检验按电流选择变频器的正确性检验最大电流及时间电流的保护)；  &#

7、160; （3）由试验证实计算的结果    变频器的预选是计算输出电流。此时，须要考虑到输出是在有功负荷情况下确定的变频器电气参数，同时还要考虑到变频器输出电压的非正弦特性。图3给出了日立SJ300和西门子Midimastervector变频器输出电压的示波图形。对比示波图形以后，无论在低频部分（与基波成倍的谐波）或是在高频部分（与载波频率成倍的谐波，见图4），均可发现输出电压频谱成分的不同。(a)日立SJ300变频器(载波频率为2kHz)(b)西门子Midimastervector变频器(载波频率为4kHz)图3  在一次谐波频率为50Hz的输出电压的

8、示波图(a) SJ300变频器（载波频率为2kHz）(b) Midimastervector变频器（载波频率为4kHz）图4  在一次谐波频率为50Hz输出电压的频谱    负载情况下，由正弦电源电压操作的电动机电流    I1=0.1047Mn/(cos3×380)                      

9、;     （1）    式中，n转速，r/min；M电动机轴转矩；产品说明书中电动机的效率值；cos产品说明书中电动机的功率因数。    计及变频器输出电压的非正弦性，按式(1)求得的电流值应增大：   Ick3=K1I1                    

10、60;                                                 

11、60;                        （2）    式中，K1考虑非正弦特性的系数，大多数情况下K1=1.11.4。    已知电压和电流的频谱时，系数K1与电压和电流一次谐波系数的乘积成反比。因为电力传动运行在不同的工况和不同的转速下，电流值按传动的最大负荷计算。预选变频器的另一问题是对能量

12、消耗的估算。为了估算能耗，应考虑工况将损耗分成若干分量：    PPB+P3+P+Pcy         （3）    式中：PBp整流器中的损耗；P3 变频器直流回路中的损耗；P自动操作电压逆变器中的损耗，包括漏电流损耗和换向损耗；Pcy操作控制中的损耗。    由于变频器采用的是IGBT晶体管，换向中的功耗最小，与载波的脉宽调制（PWM）成比例，这可属于与变频器负荷无关的损耗。也即，直流回路中的损耗。多数变频器，其损耗的比

13、例关系可用以下方式预估：整流器中损耗40%；与负荷无关的直流损耗（控制系统及直流环中的损耗）15%；自控电压逆变器中的损耗45%。在分析能耗时，整流器中的损耗与输入给变频器的功率和电动机要求的功率成比例；自控逆变器中的损耗与电动机轴端转矩成比例。    下面，对载重量400kg和电梯室升降速度1m/s的电梯，列举一选择变频器的实例。对于电力传动来说，选择电动机为APM132M6，其动力指标为：效率=86%，功率因数cos=0.81；当负荷为85%时，电动机的额定电流I1=14.6A。    计及变频器输出电压和电流的非正弦性，系数K1

14、=1.2，求得    Ick3=17.5A    这一电流与附表中“Omron”L7变频器模型的数据相对应，接入异步电动机的最大功率为7.5kW。分析了起动时的损耗，我们采用起动期间的平均功率为3880W，电动机轴端转矩64.8Nm。此时损耗数据如表2所列。表2  损耗数据5  变频器的建模    下面针对变频器中能量转换过程的数学模型进行讨论。提出了用矩阵实验室（Matlab）软件建立的模型（Matlab被称为三大数学软件之一），相应于变频器主接线图（图1）的结构图，示于图5。图5

15、研究电力传动能量过程的结构图    构成数学模型时，采用了以下假定：    （1）不考虑与异步电动机负荷无关的直流损耗；    （2）不考虑电动机等值电路参数与频率的关系；    （3）不考虑电动机绕组的波动性。    对于电力传动，功率的平衡方程为：    PBX=PPP2          （4）  &#

16、160; 式中，P2异步电动机的输出功率；P电动机中的总损耗；PBX 总的输入功率；P变频器中的总损耗。    P2=0.1047Mn                                    &#

17、160;  （5）    式中，M转矩；n转速。    输入电动机的功率      P1=PP2   （6）       考虑到功率平衡方程，整流器中的损耗    P=PBX-UDCIDC               &

18、#160;       （7）    式中，IDC直流环中的电流；UDC直流环中的电压；PBX总的输入功率。    UDC=2U1-UP                              （8）    式中，U1变频器输入端的线电压；UP整流器元件上电压降。    自动操作的电压逆变器中损耗    PAH= UDCIDC-P1  （9）                    &