第4章变频器周边设备

第4章变频器及周围设备的选择4.1生产机械的负载特性•一、机械负载与转矩关系•1.运动方程•2.负载的分类：正确地把握变频驱动的机械负载对象的转速——转矩特性，是选择电动机及变频器容量、决定其控制方式的基础。机械负载包罗万象，但归纳其转速—转矩的特性，主要有以下三大类：恒转矩负载，平方降转矩负载，恒功率负载。•二、机械负载与电动机的特性•1.恒转矩负载•对于传送带、搅拌机、挤压成形机等摩擦负载，吊车或升降机等重力负载，无论其速度变化与否，负载所需要的转矩大体上是一个定值，称此类负载为恒转矩负载。例如，吊车所吊起的重物，无论升降速度大小，其重量在地球引力的作用下而产生的重力是永远不变的，即为恒转矩负载。电动机的功率可以表达为P=Tn/9550其中T为转矩，n为转速，转速和转矩之积为功率，那么恒转矩特性负载消耗的能量与转速成正比。•2.平方降转矩负载•风扇、风机、泵等流体机械(风机水力机械)，在低速时由于流体的流速低，所以负载只需很小的转矩，而随着电动机转速的增加流速加快，所需转矩越来越大，转矩大小以转速的平方成比例增减，这样的负载特性称之为平方降转矩负载。在这种场合，因为负载所消耗的能量正比于转速的三次方，所以通过变频器控制流体机械的转速可以得到显著的节能效果。•3.恒功率负载机床的主轴驱动，造纸机、塑料胶片生产机械的中央传动部分，卷扬机等输出功率为恒值，与转速无关，这样的负载特性称之为恒功率负载。例如，卷纸机要求以一定的速度和相同的张力卷取纸张。在卷取初期由于纸卷的直径较小，所以为保持恒速纸卷必须以较高速度旋转，转矩较小；但随着纸卷直径的逐渐变大，纸卷的转速也应随之变低，转矩则必须相应增大。•4.电动机的转矩特性普通异步电动机在V／f控制方式变频器驱动下，由于变频器的输出电压不能高于电网电源电压，电动机在50Hz以上运转时，V／f比值减小并造成输出转矩变小。当变频器的输出频率低于50Hz(或60Hz)时，可以按原来的恒转矩特性考虑，但由于转速的降低将导致电机冷却能力的下降，所以可允许的连续运转转矩也将下降。但转速较低时，电动机冷却能力下降，而且电动机定子线圈的阻抗压降的相对影响增大，使得连续运转转矩大幅度下降。此时，运转频率越低变频器输出电压越低，电动机内部压降的影响越大，转矩急剧减小。•三、变频器驱动不同负载时需要注意的问题•1.驱动恒转矩负载•采用变频器驱动普通异步电动机的场合，由于高次谐波的原因，电机的温升要有些增大，此外低速时风扇的冷却效果变差，在选择电机时，根据频率的不同，转矩要作相应的折扣，因此电动机容量要适当增大。•由于是恒转矩负载，即使转速变化，电动机的电流也基本不变，若电机构造为全封闭外扇型，则低速运转时电机的冷却能力下降，会发生过热现象，为此要注意：(1)考虑为恒转矩负载选用变频器专用电机；(2)加装专用冷却风扇；(3)增大一档电机容量，降低负载率。•2.驱动平方降转矩负载•平方降转矩负载随着转速的降低，转矩以平方的比例下降，所以低频时的负载电流很小，即使选用普通异步电动机也不会发生过热现象，因此一般的风机水力机械很适合由V／f控制的变频器进行驱动。•一般的V／f控制变频器都预先设置了平方降转矩负载用的V／f特性。•由于机械种类不同飞轮转矩有很大不同，如负载的GD2很大，必须设定很长的加速时间。•当电动机以超过基频转速以上的速度运转时，负载所需功率随转速的提高而急剧增加，极易超出电机和变频器的容量，所以应避免这类负载超过工频运行。•3.驱动恒功率负载•在基频转速以上，采用普通异步电动机和通用变频器，能满足象机床主轴那样高速时转矩变小的特性。•在基频转速以下的范围内，由于变频器采用V／f恒值控制，电机的输出功率与转速成正比，电机产生的转矩与负载所需转矩相反。电动机产生的转矩为(磁通)×(转子电流)，所以，在驱动恒功率负载时，为了确保低速高转矩，需要加大磁通量和电机转子电流(当然也要加大电机的定子电流)，这就必须大大增加电机和变频器的容量。4.2异步电动机的选择•电动机的选择，应根据生产机械的情况恰当地选择其容量，还应根据用途和使用环境选择适当的结构形式、通风方式和防护等级等。•通用的标准电动机，用于变频调速时，由于变频器的性能和电动机自身运行工况的改变等原因，确定电动机的容量时还必须考虑一些恒速运行时从未考虑过的一些新问题。•为生产机械选择合适的电动机，包括确定电动机的额定电压、额定转速、结构型式和额定容量等•一.异步电动机类型与容量的选择•1.类型的选择•电动机形式的选择除了根据使用状况和被传动机械的要求合理选择结构形式、安装方式以及与传动机械的连接方式（直接连接、齿轮箱、带轮、链条传动）外，还应根据温升情况和使用环境选择合适的通风方式和防护等级等。•防护方式：开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。电机的防护等级见国家标准。•电机外壳防护分级GB4942.1-1985•2.电动机容量的选择•电动机的容量必须与生产机械的负载大小相匹配，同时要考虑生产机械的工作性质与其持续、间断的规律相适应。•选小了，不能保证生产机械的正常工作，对电动机来说，将使它的各部分过载、过热，温度上升超过允许的限度而过早损坏。•选大了，则增加设备的投资费用，电动机容量不能充分利用，而且使效率和功率因数降低。•2.电动机容量的选择•容量选择步骤：•第一步：计算负载功率PL；•第二步：根据第一步结果，预选电动机额定功率；•第三步：校核预选电动机。一般先校核发热温升，再校核过载能力，必要时校核起动能力。•校核过载能力是指：电动机最大转矩Tm是否比负载可能出现的最大转矩大，而且需考虑到电网可能出现电压向下波动，按向下波动10％计算。•校核起动能力主要指电动机是否能可靠起动。校核发热经常是最重要的。•二.负载功率的计算•1.重力负载起重机、提升机等负载作垂直移动的设备所需的功率：•式中P—电动机功率（kW）；•W—额定载荷重力、吊钩重力和钢绳重力之和（N）；•—提升速度（m／s）；•η—机械效率。•)(103kWWvP•2.摩擦负载起重机的平移机构、轨道上移动的水平台车等搬送机械，功率计算中需要考虑摩擦系数μ：•式中P——电动机功率（kW）；•W——负载重力（N）；•——负载移动速度（m／s）；•——摩擦系数；•η——机械效率。•)(103kWWvP•3.离心泵负载所需的驱动功率，即电动机功率为•式中P——电动机功率（kW）；——流体密度（kg／m3）；•Q——泵的流量（m3／s）；•H——水头（m）；•ΔH——主管损失水头（m）；•η——泵的效率，一般取0.6～0.84；•ηc——传动效率，如果与电动机直接连接则ηc=1；•k——裕量系数，常取1.05～1.7，功率越小，该数应取得越大。)(10)(3kWHHQkPC•4．离心式风机功率计算式为•式中P——电动机功率（kW）；Q——送风量（m3／s）；•H——空气压力（Pa）；•η——风机效率0.4～0.75；•ηc——传动效率，直接传动时了ηc=1；•k——裕量系数，容量为5kW以上k取1.15～1.10;5kW以下取1.25～1.2。310ckQHP•5．离心式压缩机功率计算式为•式中P——电动机功率（kW）；•Q——压缩机生产率（m3／s）；•Ad——压缩1m3空气至绝对压力pl的等温功（N·m）；•Ar——压缩1m3空气至绝对压力pl的绝热功（N·m）；•η——压缩机总效率，约0.62～0.8。3102)(rdAAQP•三.选用异步电动机时的注意事项•1．谐波的影响采用通用PWM变频器对笼型异步电动机供电时，定子电流中不可避免地含有高次谐波，电动机的功率因数和效率都会变差。•2．散热能力的影响通用的标准箱型异步电动机的散热能力，是按额定转速下且冷却风扇是装在电动机轴上的（即自扇式）冷却风量考虑的。当调速运行时，速度降低的情况下冷却风量将变小，散热能力变差。4.3变频器的选择•通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。应按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。•一、变频器控制方式的选择•下表综述了各种变频器控制方式的性能特点。变频器控制方式的性能特点控制方式U/F控制矢量控制直接转矩控制比较项目开环闭环无速度传感器带速度传感器速度控制范围1：401：601：1001：10001：100启动转矩3HZ时150％3HZ时150％1HZ时150％0HZ时150％0HZ时150％静态速度精度±（2～3）％±（0.2~0.3）％±0.2％±0.02％±（0.1～0.5）％反馈装置无速度传感器无速度传感器无零速度运行不可不可不可可可控制响应速度慢慢较快快快变频器控制方式的性能特点特点优点结构简单、调节容易、可用于通用笼型异步电动机结构简单、调速精度高、可用于通用笼型异步电动机不需要速度传感器、力矩的响应好、速度控制范围广、结构较简单力矩的控制性能良好、力矩的响应好、调速精度高、速度控制范围广不需要速度传感器、力矩的响应好、速度控制范围广、结构较简单缺点低速力矩难保证，不能进行力矩控制，调速范围小低速力矩难保证，不能力矩控制，调速范围小，要增加速度传感器需设定电动机的参数，需要有自动测试功能需设定电动机的参数，需要有自动测试功能，需有高精度速度传感器需设定电动机的参数，需要有自动测试功能主要应用场合一般的风机、泵类节能调速或一台变频器带多台电动机场合用于保持压力、温度、流量、pH定值等过程控制场合一般工业设备、大多数调速场合要求精确控制力矩和速度的高动态性能应用场合要求精确控制力矩和速度的高动态性能应用场合，如起重机、电梯、轧机等二、变频器防护结构的选择•变频器的防护结构要与其安装环境相适应，这就要考虑环境温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与变频器能否长期、安全、可靠运行关系重大。开放型封闭式密封式密闭式•思考题：•（1）变频器的选用原则是什么？•（2）采用矢量控制后，在0HZ时也能产生转矩吗？•（3）哪些情况下不能使用矢量控制方式？三、变频器容量的选择变频器的输出指标有：额定输出电流：逆变器中半导体开关器件所能承受的电流耐量，以连续运行总电流不超过变频器额定电流。可用电动机的功率：以电动机的额定功率（kW）表示。为原有电动机选配变频器时，不可仅看kW值是否一致。选用时主要应考察额定电流。额定容量：是指额定输出电流与电压下的三相视在功率。变频器的输出电压:通常等于电动机的工频额定电压。瞬时过载能力:电流瞬时过载能力常设计成150％额定电流、lmin或120％额定电流、lmin。与标准异步电动机相比较，变频器的过载能力较小，允许过载时间亦很短。•1连续恒载运转时所需的变频器容量（kVA）的计算式：•k——电流波形修正系数，PWM方式时取1.05~1.1cosMCNkPP3103MMCNIUkPMCNkII•2一台变频器传动多台电动机并联运行，变频器容量的计算：•当变频器短时过载能力为150％、lmin时，电动机加速时间在lmin以内：•nT——并联电动机的台数•ns——同时起动的电动机台数•Ks——电动机起动电流与电动机额定电流的比值122(1)1(1)3cos3sMCNTssCNsTnkPPnnKPKn21(1)3sCNTMsTnInIKn•当电动机加速时间在lmin以上时：1(1)1(1)cossMCNTssCNsTnkPPnnKPKn1(1)sCNTMsTnInIKn•3大惯性负载起动时变频器容量的计算)375(cos95502AMLMCNtnGDTknP•不同的产品有不同的订货号，通过定货号可以了解变频器的基本信息：•选型示例：•恒压供水系统，电机30kW，380V，57A恒压供水系统，负载类型为变转矩负载，可选用MM430，30kW，380V－480V，额定输出电流