变频器系统设计涉及任务及因素

1 系统设计涉及任务及因素

1.1 设计任务

· 选择电动机的类型、容量、电压、转速、绝缘等级、力矩、磁极对、数冷却方式、效率、等。

· 选择变频器的类型、容量、型号等。

· 决定电动机与负载之间的传动比。

· 设计主电路，并决定外围选配件的主要规格。

· 设计控制电路，并选定外围所需要的选配件。

· 必要时提出变压器的选型要求

1.2 主要的已知条件

· 供电电源类型及参数

· 负载的机械特性，基于应用的负载力矩参数、负载工作周期曲线、力矩速度曲线、驱动的负载质量、摩擦阻力数据、驱动轮的直径、丝杠的螺距、齿轮比、效率、相关联的各机械组件的转动惯量、移动的距离、最大、最小速度、最大的加、减速度等

· 负载的飞轮力矩、转动惯量及其对动态响应的要求。

· 负载的调速范围、调速精度、动态指标

· 效率

· 在大部分情况下，变频调速拖动系统的设计主要是在原有的电气传动系统基础上进行改型设计，故以原有的传动系统作为参照。例如，原系统中的电动机功率和转矩，可以作为负载的功率和转矩来对待。

1.3 系统设计需要考虑的因素

一般变频系统设计主要需要考虑一下几个方面：

· 供电系统的类型、参数及性能要求

· 环境因素：温湿度、海拔高度、冷却方式等

· 负载特性、类型、工作点计算、电机选型

· 驱动系统类型及系统指标

· 根据系统性能指标选择驱动控制单元及附件

· 驱动器功率单元和配置类型的选型计算

· 与控制系统的集成情况及附加条件

· 进线侧控制、保护设备选择

· 电机侧控制、保护设备选择

· 系统连接部件及线缆布置

· 各种地的选择与配置

· 柜体设计

· 现场安装、布线

1.4 电机选型计算涉及的因素

§ 确定负载类型

§ 确定负载的工作周期

§ 确定负荷特性转矩及运行工作点

§ 计算最大负载力矩

§ 运行的最大转速

§ 基于电机类型的极限特性曲线

§ 验证动态限制：负载的力矩速度工作点

§ 验证热效应限制：其带载时有效力矩与平均速度

§ 外围环境因素

§ 保护措施

§ 系统集成要求

变频器馈电的鼠笼式感应电动机驱动系统的性能特性和运行数据受整个驱动系统(包括供电系统和变频器、感应电机，机械轴系和控制设备)的影响。涉及异步电动机变频器驱动系统运行的所有主要方面的规范要求，在以下标准中进行了描述:

IEC/TS 60034-17:2006 “旋转电机-第17部分：变频器供电的鼠笼式感应电机-应用指南”。

IEC/TS 60034- 25:07 “旋转电机-第25部分：专为变频器运行设计的鼠笼式感应电动机的设计和性能导则”。

IEC 60034-18- 41:19 “旋转电机-第18-41部分:电压源变频器供电的旋转电机中使用的无局部放电电气绝缘系统(I型)-鉴定和质量控制试验”

1.5 变频器的主要类别

1）通用变频器

通常指没有特殊的特定功能、性能要求也并不是很高且可以适应大多数控制要求的变频器。

3）高性能变频器

通常指具有伺服控制功能、矢量控制功能、且能进行四象限运行的变频器，主要用于对机械特性和动态响应的要求较高的场合。

2）风机、水泵用变频器

其主要特点有：

· 过载能力较低：因为风机和水泵在运行过程中很少发生过载的原因。

· 具有闭环控制和 PID调节功能：水泵在具体运行时常常需要进行闭环控制，如在供水系统中，要求进行恒压供水控制；在中央空调系统中，要求恒温控制、恒温差控制等，故此类变频器大多设置了 PID调节功能。

· 具有多电机控制切换功能：为了减少设备投资，常常采用由 1台变频器控制若干台水泵的控制方式，为此，许多变频器专门设置了切换功能。

4） 其他专用变频器

如电梯专用变频器、纺织专用变频器、张力控制专用变频器、中频变频器等：此类变频器针对特定应用集成专用功能以匹配特定的工艺控制功能和性能需求。

1.6 当电动机由在变频器供电时，一些特殊的方面需要考虑的因素

1）在变频调速系统中，电机由PWM变频器输出脉冲宽度调制的方波电压供电。同由正弦波电压供电的电源相比较，会额外产生如下一些列影响：

· 电机绕组上的电压强度增加，

· 增加了电机滚动接触轴承中的轴承电流，以及电机电流中的谐波，

· 因此造成电机中的杂散损失、增加电机噪音和轴上的扭矩振荡。

2） 变频器能够通过调节电机电源频率来改变电机转速。因此在设计和调试系统时必须注意下列各点:

· 在低于额定转速时，必须注意扭矩的利用极限。必要时，必须从额定转矩中减少可利用的转矩，因为自冷标准和非标准电机的冷却效率依赖于转速，自冷系统在转速下降时冷却效率降低。

· 在超过额定转速时，有效转矩必须由额定转矩值反比例减少，因为在弱磁场范围内运行，电机中的磁通随着转速的增加而减少，并且与电机转速相关的损耗会有所增加。

1.7 传动系统常见的典型负载特性

① 力矩与速度的平方成正比、功率与速度的立方成正比：

通过气体和液体做功的负载，如：风扇、离心泵、开放管道的往复泵、船舶驱动等

· 转矩特点 负载的阻转矩 ML 与转速 nL 的二次方成正比：

ML = kT* nL2

· 功率特点 负载的功率 PL与转速 nL 的三次方成正比：

PL= KT * nL2 * nL/9550 = KP* nL3

式中 KT、 KP 二次方律负载的转矩常数和功率常数。

② 力矩与速度成正比、功率与速度的评方成正比：

通过形变做功的负载，如：压延机、轧辊、拉丝机等

· 转矩特点 负载的阻转矩ML与转速 nL成正比：

ML = kT* nL

· 功率特点 负载的功率PL与转速nL的二次方成正比：

PL= KT * nL * nL/9550 = KP* nL2

· 式中 KT、 KP 直线律负载的转矩常数和功率常数。

③ 力矩恒定、功率正比于速度：

通过压缩、滑动/滚动摩擦、提升、切削做功的负载，如：恒压工作的活塞和蜗杆压缩机、挤出机、搅拌机、磨床、传送带、金属板/纸/箔输送系统、绞车、起重和横动设备、恒定切削力的机床等

· 转矩特点 在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定：

ML=const

即负载阻转矩 ML 的大小与转速 nL的高低无关.

· 功率特点

负载的功率 PL和转矩 ML、转速 nL 之间的关系是

PL= ML* nL/9550，

即，负载功率与转速成正比

④ 力矩与转速成反比、功率恒定：

恒拉伸力且恒速卷绕做功的负载，如：卷曲、车床、单板旋切机等

· 功率特点 在不同的转速下，负载的功率基本恒定：

PL= const

即，负载功率的大小与转速的高低无关

· 转矩特点

ML = PL * 9550/ nL

即，负载阻转矩的大小与转速成反比

1.8 功率因数校正

在没有进行谐波分析的情况下，变频器输入侧的功率因数校正绝不能进行;也不应在变频器负载侧对感应电机使用电力电容进行功率因数校正，否则会损坏变频器，功率因数矫正电力电容器通常不是以其承受的高频率值定标的。电压源变频器输入端的功率因数校正可以通过使用具有有源整流模块的变频器来实现如西门子SINAMICS 有源整流模块ALM