浅析变频器在电机调速中的应用

摘要：随着现代工业对电机要求的越来越高，普通的电机启动存在着诸如启动电流大，对电网冲击大以及调速性能不佳等诸多问题。

关键词：变频器 机电 应用

本文通过了解变频器的基本知识，以SIEMENS SINAMICSGM150和S120为例，了解变频器在电机调速中的应用。

现代交流变频调速技术已在工业中得到广泛应用，如钻井平台中推进器的动力驱动，它为交流异步电动机大范围、高质量的调速提供了全新的方案。

1.变频器的基本知识

把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。其主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元等组成的。

现在使用的变频器主要采用交――直――交的方式，变压变频或者矢量控制变频。

2.了解电机的调速

电机的转速为什么可以自由改变呢？由如下公式可知：

N=60f/p（1-s）

N：电机转速 f：电机频率

p：电机磁极对数 s：电机的转差率

由上述公式可知，电机的转速与频率成正比，因此，改变频率可以较好的调整电机的转速，以便更好的适应生产需要。

3.变频器调速的好处

众所周知，电机在工频直接启动时会产生一个很大的启动电流，对电网有着很大的冲击，而采用变频器启动时，其输出电压和频率是逐步加到电机上的，所以冲击会相对小些。由于电机的转矩通常随着频率的减小而减小，所以采用矢量控制的变频器时将改善电机在低速时转矩不足的情况，甚至在低速时可以输出较高转矩。

4.电机的调速分析

4.1变压变频

电机的定子电压U=E+I*R，其中，R为定子电阻，E为感应电势而E=K*f*X（K为常数，f为频率，X为磁通），I*R可忽略，所以，U≈E=K*f*X。

如果只改变频率而不改变电压，当频率降低时电机将出现过电压，电机可能被烧毁。因此，变频器在改变频率的同时必须同时改变电压。

4.2 电机的输出转矩

以60Hz为基准频率进行分析：

4.2.1 恒转矩调速

通常电机是在60Hz时的电压设计的，而额定转矩也是在这个电压范围内产生的，因此，在额定频率之下的调速为恒转矩调速（T=Te， P

4.2.2 恒功率调速

当电机在60Hz以上运行时，以22KW/480V/30A为额定值举例，当转速为60HZ时，变频器的输出电压为480V，电流为30A，这时如果再增大输出频率到70Hz，变频器的输出电流电压还只能为额定值。

由P=1.732*U*I*cos∮可知，输出功率不变，此时称之为恒功率调速。

而此时的转矩由T=P/w（T为转矩，w为角速度）可知，P不变，w增加，所以T会相应的减小。

换个角度考虑，当达到额定频率时，

由E=K*f*X和T=K*I*X可知，

频率增加，磁通减小，电机的输出转矩将会减小。

4.2.3 输出转矩的改善

对于常规的变压变频而言，电机的电压降将随着频率的降低而增加，这就导致由于励磁不足而导致电机不能够获得足够的旋转力，也就是说，在低频运行时，电机将因负载的不同而受限。为了补偿这个电压降，变频器中需要提高电压以达到转矩提升。

矢量控制就是使电机在低速运行时的输出转矩能够达到额定频率时的转矩，甚至更高。

转矩是由磁通与转子内流过的电流相互作用产生的，而这个电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。矢量控制就是把电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它分量。

矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。

4.3 变频器的保护

电机在运行过程中，必须要考虑到变频器的保护，而其中必须要考虑到变频器的散热。

在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的，变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。

变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。因此，我们必须重视散热问题。

变频器的发热量=变频器的容量（KW）*60

可以通过上述公式估算变频器的散热量，以便更好的做好保护。

4.3.1 变频器的冷却――水冷

以SIEMENS SINAMICS GM150为例，作为全回转推进器的主动力，其冷却系统采用海水冷却淡水，淡水冷却内部冷却水的方式，可以达到较好的冷却效果（注：内部冷却水由去离子树脂作为净化剂的去离子水构成）。

4.3.2 变频器的冷却――风冷

对于一般的变频器，一般自身都带有冷却风扇，辅以滤网加以灰尘保护。以JACK UP升降式钻井平台为例，其升降系统采用SIEMENS SINAMICS S120作为电机的驱动，在保证其风扇的正常运行以外，还要考虑的周围环境的温度，因为在平台下降的过程中由于再生制动会产生大量的热量，因此，必须在房间中安置空调以保证系统的正常安全运行。

综上所述，变频器在电机调速中的广泛应用使电机有了更广泛的发挥空间，同时，其正确的使用将会有效保证生产效率的提高。因此，在变频器的使用过程中，必须根据具体的电机进行选型，计算和选择变频器及其周围附件，在安装和布线时要考虑周围的干扰，以保证变频器调速的电机安全可靠的运行。

参考文献：

[1]吴忠志，吴加林编著. 中（高）大功率变频器应用手册[M].北京机械工业出版社，2003