1.12 中、高压变频器的选择_中、高压变频调速系统与节能-QQ阅读男生历史网

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1.12 中、高压变频器的选择

变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。

变频器具有较多的品牌和种类，价格相差也很大，要根据工艺环节的具体要求选择技术成熟、运行可靠、性价比相对较高的品牌和种类。

用于一般场合的为通用（或标准）变频器，除此以外，还有高性能变频器及为满足各行业不同应用特点而设计的专用变频器，例如风机、泵类专用变频器，用于下行胶带输送机的四象限运行变频器等，专用变频器和通用变频器的不同点、特殊要求和性能特点在后文进行介绍。用户可根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器，此处主要介绍变频器的一般选择方法。

通用变频器的选择，要充分考虑负载类型、起动转矩的要求、负载要求的调速范围、负载转矩的变动范围和工作环境，然后选择变频器的类型、防护结构、额定输入输出参数、控制参数、电流和容量。变频器规格选择时应注意根据要求采用合适的方式和计算公式，根据工程实际情况确定具体调速方案，包括逆变器与电动机的对应关系、整流器与逆变器的对应关系（是否采用成组驱动）、起动和制动部分的结构形式及配置规模、采用何种控制方式等，其中包括一些控制精度、控制参数、显示模式参数、保护特性参数及环境参数五大类，还要根据需要选择附件。在相关的产品资料中，选择出适用的规格型号及订货号。

1.12.1 根据负载类型选择变频器

变频器类型选择的基本原则是根据负载的要求进行选择，因此选择时必须要充分了解所驱动的负载特性。几种根据负载的要求选择方法如下：

1.风机和泵类等二次方律负载

各种风机、水泵和油泵中，随着对叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力与转速的二次方成正比，且随着转速的减小，转矩按转速的二次方减小。由于这种负载所需的功率与速度的三次方成正比，当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅节约电能。但是，这类负载在高速时的功率需求增加过快（与负载速度的三次方成正比），所以不应使这类负载超工频运行。

该类负载在过载能力方面的要求较低，由于负载转矩与速度的二次方成反比，所以低速运行时负载减轻（罗茨风机除外），又因为这类负载对转速精度没有特殊要求，故选型时最主要的问题是如何得到最佳的节能效果，并考虑较少的初投资，只要变频器容量不小于选用的电动机容量即可。更多内容可参考第4章的有关介绍。

2.胶带输送机等恒转矩负载

此类负载的负载转矩与转速无关，任何转速下负载转矩总保持恒定。恒转矩负载又分为摩擦类负载和位能式负载。

摩擦类负载的起动转矩一般为额定转矩的150%左右，制动转矩一般为额定转矩的100%左右，所以变频器应选择那些具有恒定转矩特性，并且起动和制动转矩都比较大、过载时间长和过载能力大的变频器，例如，一般胶带输送机就属于这类负载。

多数具有恒转矩特性的负载，其转速精度及动态性能等方面要求一般不高，当对调速范围或负载转矩变化不大时，考虑选用U/f控制方式或无反馈矢量控制的变频器；当对调速范围要求很大时，应考虑采用有反馈矢量控制的变频器。对于负载转矩变化大的负载，U/f控制方式不能同时满足重载和轻载时的要求，所以不应该选用U/f控制方式的变频器。如果工艺对机械特性的要求高，可考虑选择矢量控制方式的变频器。当对动态性能有较高要求时，则考虑采用有速度反馈的矢量控制方式的变频器。若胶带输送机要考虑事故停车后的重载起动，则可考虑选择直接转矩控制的变频器。

位能式负载一般要求有大起动转矩和能量回馈功能，能够快速实现正反转，变频器应选择具有四象限运行能力的变频器，可参考第7章有关内容。

3.恒功率负载

这类负载在不同转速下的负载功率基本恒定，其转矩与速度成反比，一般要求低速时有较硬的机械特性，只有这样才能满足生产工艺对控制系统的动静态指标要求，例如，机床主轴就是恒功率负载。如果对动静态指标要求不高，可选用一般工业用通用变频器；对于要求精度高、响应快的生产机械，宜选用矢量控制的通用变频器。

4.其他类型负载

其他类型负载有两类：一类是负载转矩与转速成正比的直线律负载，如轧钢机和碾压机，此类负载可参考二次方律负载选择变频器；另一类是在不同运行速段具有恒转矩负载或具有恒功率负载的混合特性负载，大部分金属切削机床都是这种负载。

1.12.2 变频器防护结构的选择

变频器属于电子器件装置，潮湿、腐蚀性气体及尘埃等易造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低，进而形成短路。作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构。变频器的防护结构选择见表1-8。

表1-8 变频器的防护等级

变频器防护结构符号的代号由表征字母（IP）及其后面的两个表征数字组成，第一位数字表示外壳对固体异物和壳内部件的防护等级，第二位数字表示由于外壳进水而引起有害影响的防护等级，具体内容可参考GB/T 14048.1—2012《低压开关设备和控制设备第1部分：总则》中的附录C，也可在参考文献4第1章中找到有关内容。

变频器內部产生的热量大，根据使用场所的要求和散热的经济性，可选用一般封闭式（IP20）、封闭式（IP40）或密封式（IP54或IP65）结构，并根据变频器对温度的要求，采取必要的通风措施，另外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。除此之外，有的还选用大型工业级空调作为变频器室散热或保温（特殊的高寒地区）的重要手段。

1.12.3 变频器的输入输出参数

1.输入侧的额定参数

额定输入参数包括电源输入相数、电压、频率（我国规定工频为50Hz）、允许电压频率波动范围、瞬时低电压允许值（相当于标准适配电动机85%负载下的试验值）、额定输入电流和需要的电源容量。

2.输出侧的额定参数

额定输出参数包括通用变频器的额定输出电压、输出频率范围、输出频率的精度、0.5Hz时的起动转矩、额定输出电流（在驱动低阻抗的高频电动机等场合，允许输出电流可能比额定值小）、额定过载电流倍数等。变频器的最大输出频率因型号的不同而差别很大，通常有50Hz/60Hz、120Hz或更高，通用变频器中，大容量的大都属于50Hz/60Hz一类，而最大输出频率超过工频的变频器多为小容量的。

（1）额定输出电压

变频器输出电压的等级是为了适应异步电动机的电压等级而设计的，通常等于电动机的工频额定电压。变频器规格表中给出的输出电压，是变频器可能的最大输出电压，即基频下的输出电压。

（2）输出频率范围

即输出频率的最大调节范围，通常以最大输出频率f_max和最小输出频率f_min来表示。各种变频器的输出频率范围不尽相同，通常最大输出频率为120Hz或更高，最小输出频率为0.1～1Hz。

目前，我国普通电动机的电源频率为50Hz，额定频率对应的运行速度为额定转速。在超速运行时需注意两点：第一，变频器在50Hz以上区域时，其输出电压不变，为恒功率输出特性，故高速运行时转矩减小；第二，高速区域运行的转速不能超过电动机的最高转速，否则会影响电动机的使用寿命，甚至使电动机损坏。在进行频率选择时，应根据变频器的使用目的来确定最高频率，例如，风机、泵类及输送散料的胶带输送机当采用变频调速节能的变频器时，一般选择最大输出频率f_max为50Hz。

（3）输出频率的精度

它通常给出两种指标：模拟设定（如最高频率的+0.2%）和数字设定（如最高频率的+0.01%）。输出频率的设定分辨率通常给出三种指标：模拟设定（如最高频率的1/3000，60Hz时为0.02Hz）、数字设定（如小于99.99Hz时为0.01Hz，大于100.0Hz时为0.1Hz等）和串行通信接口连接设定（如最高频率的1/20000，小于60Hz时为0.003Hz，120Hz时为0.006Hz等）。

（4）0.5Hz时的起动转矩

这是变频器重要的性能指标，优良的变频器在0.5Hz时能输出180%～200%的高起动转矩。这种变频器可根据负载要求实现短时间平稳加、减速，快速响应急变负载。

（5）额定输出电流

额定输出电流是指允许长时间输出的最大电流，是用户选择变频器的主要依据（见1.12.6节）。

（6）额定输出容量

采用变频器对异步电动机进行调速时，在异步电动机确定后，通常根据异步电动机的额定电流来选择变频器的容量，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器容量。变频器容量的选择是一个重要且复杂的问题，具体的选定可见1.12.7节。

1.12.4 变频器控制参数及过载能力的选择

选用变频器时，可根据控制参数及其说明选择所需要的参数，并核对与自己需要是否相符（有些参数可能用不上，可以不予考虑）。

频率上下限：通常指预设的频率上限值和下限值。

跳越频率控制：通常设定跳越点的个数、跳跃频率设定范围等，主要用来避免机械共振。

变频器的过载能力：是指允许其输出电流超过额定电流的能力。根据主电路半导体器件的过载能力，通用变频器的电流瞬时过载能力常常设计成150%额定电流、1min或120%额定电流、1min，变频器允许过载的时间只有1min。标准异步电动机的过载能力通常为200%左右，它的发热时间常数常以分钟计算，大功率电动机可达十几分钟甚至若干小时。

1.12.5 变频器输出电流的选择

电动机的发热时间常数通常以分钟计算，中高压电动机的发热时间一般可达十几分钟甚至更长。变频器虽然也有过载能力（通常为150%），但允许过载的时间只有1min，相对于电动机的发热时间常数而言，几乎没有什么过载能力。所以电动机发生过载时，首先损坏的是变频器（如果变频器的保护功能不完善）。变频器输出的额定电流是一个准确反映半导体变频装置负载能力的关键量，在采用变频器驱动异步电动机调速中，确定异步电动机后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。关于中、高压变频器输出的额定电流，提供如下电流选择计算方法以供参考。

1.变频器驱动单个电动机时的电流选择

由于变频器供给电动机的是脉动电流。电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率时要比电动机电流或功率要大一个等级，一般为

I_N≥1.1I_MN 或I_N≥1.1I_Mmax

式中 I_N——变频器的额定电流（A）；

I_MN——电动机的额定电流（A）；

I_Mmax——电动机的最大运行电流（A）。

需要指出的是，即使电动机负载非常轻，电动机电流在变频器额定电流以内，也不能选用比电动机容量小很多的变频器，这是因为电动机的容量越大，其脉动电流值也越大，很有可能超过变频器的过电流耐量。

需要说明的是，上面的计算公式适合风机、泵类负载以及轻载起动时变频器额定电流的计算；而对于重载起动和频繁起动、制动运行时变频器的额定电流，按下式计算：

I_N≥（1.2～1.3）I_MN

2.变频器驱动多台电动机时的电流选择

1）多台电动机由单个变频器供电且同时起动时，所需电流最大。一般情况下，中、高压变频器的功率都比较大，很少采用直接起动，大部分使用变频器功能实行软起动，此时变频器输出的额定电流按下式计算：

式中——所有直接起动电动机的堵转电流之和（A）；

——所有软起动电动机的额定电流之和（A）；

K_P——变频器允许过载倍数，可由变频器产品说明书查得，一般可取1.3～1.5。

2）多台电动机由单个变频器供电且不同时软起动、软停止时所需电流，可考虑按起动最慢的那台电动机或按起动条件最不利时进行整定计算。这里指出，当几台电动机功率差别大且不能同时起动、工作时，不宜采用一台变频器拖几台电动机，否则变频器的功率会很大，在经济上不合算。

1.12.6 变频器容量的选择

中、高压变频器基本采用订制模式，即一般不会有厂家把产品生产出来等待用户来购买，而是根据用户的需要进行设计和生产。一般中、高压变频器厂家需要用户提供电动机电压、电流和功率这三个重要的参数。半导体变流单元一般只与电动机的电压和电流有关系，电压决定功率单元电路的串联个数和耐压水平，电流决定功率电路的输出电流能力。对于标准的电动机，变流单元的设计除了整流桥外，与电动机的功率没有关系，这也是变频器有时标明视在功率的原因。这说明：变频器输出容量取决于额定输出电流与额定输出电压下的三相视在输出功率。因此，在异步电动机确定后，考虑到变频器容量与电动机容量的匹配，通常根据异步电动机的额定参数（如电动机的电压、电流和功率）或电动机实际的运行参数来选择变频器。对于变频器的容量，不同的公司有不同的表示方法，一般有以下三种：一是用变频器额定输出电流（A）表示；二是用变频器的额定视在功率（kV·A）表示；三是用额定有功功率（kW）表示。下面介绍根据用这三种表示方法来选择变频器容量：

1）若按变频器的额定输出电流来选择变频器的容量，可按1.12.5节的内容来确定。

2）以变频器额定视在功率来选择变频器容量。

若以变频器额定视在功率来选择变频器容量，应使电动机算出的所需视在功率小于变频器所能提供的视在功率，用下面的计算选择方法，使变频器的容量和电动机的容量配合。

1.变频器驱动单台电动机时的容量选择

连续恒定负载运行时，所需的变频器容量P_CN按式（1-2）和式（1-3）计算，式（1-2）满足负载的输出要求，式（1-3）用来实现与电动机容量的配合。电动机运行时要同时满足式（1-2）和式（1-3）^[3]：

式中 P_M——电动机轴上输出的机械功率（kW）；

η——电动机的效率；

cosφ——电动机的功率因数；

U_M——电动机的电压（V）；

I_M——电动机的电流（A）；

k——电流波形的修正系数，采用PWM方式时，通常取1.0～1.5；

P_CN——变频器的额定容量（kV·A）。

2.变频器驱动多台电动机时的容量选择

变频器同时驱动多台电动机时，需要考虑变频器的过载能力，要保证变频器的额定电流大于所有电动机的运行电流之和。设所有电动机的容量等均相等，当部分电动机直接起动时，考虑变频器的过载能力为K_P，允许过载的时间为1min，如果电动机的加速时间在1min以内，则变频器的驱动容量可按下式（1-4）^[3]计算；如果电动机的加速时间大于1min，则变频器的驱动容量可按式（1-5）^[3]计算。

式中 N_T——电动机并联的台数；

N_S——电动机同时起动的台数；

k_S——电动机起动电流与电动机额定电流的比值；

K_P——变频器允许过载倍数，一般可取1.3～1.5。

3.用适配电动机的额定有功功率（kW）选择变频器的容量

有的公司在变频器说明书中列出了变频器的容量和对应的配用电动机额定有功功率（kW），该电动机容量是指在带恒定负载时可配用的最大电动机容量。根据公司的有关技术数据，如表1-9和表1-10的技术数据^[5]，用适配电动机的额定有功功率（kW）可以选择出对应变频器的容量及型号。

表1-9 用于异步电动机的ACS5000变频器参数表（外置变压器）

①异步电动机效率为97.5%，功率因数为0.88。

②“x”表示已安装逆变器冷却风机的数量。

③重量为近似值。

④非法定计量单位，1hp=745.7W。

表1-10 10kV利德华福HARSVERT-A/VA/S/VS产品选型表

注：1.10kV系列包括变频器输出10kV、10.5kV电压等级。

2.变频器型号详细说明：A表示异步电动机普通控制型，S表示同步电动机普通控制型，VA表示异步电动机矢量控制型，VS表示同步电动机矢量控制型。变频器型号中的额定电流值还可细化，具体型号完全按照电动机电流匹配。

3.功率等级为电动机功率因数为0.8时的参考功率等级。

4.本选型表中尺寸及重量均为变频器本体，不含旁路柜等其他选件。

4.选择变频器容量时的注意事项

1）通用变频器的容量多数是以千瓦数及相应的额定电流标注的，对于三相通用变频器而言，该kW数是指该通用变频器可以适配的4极三相异步电动机满载连续运行的电动机功率，一般情况下，可以据此确定需要的通用变频器容量。当电动机不是4极时，就不能仅以电动机的容量来选择变频器的容量，必须用电流来校验。

2）选择变频器容量时主要以电动机实际运行的最大电流为依据，以电动机的额定功率作为参考。由于通用变频器输出中包含谐波成分，其电流有所增加，应适当考虑加大容量。当电动机频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的通用变频器，以利于通用变频器长期、安全运行。其次，应考虑最小和最大运行速度极限，满载、低速运行时电动机可能会过热，所选通用变频器应具有可设定下限频率、可设定加速和减速时间的功能，以防止低于该频率下运行。

3）一般风机、泵类负载不宜在15Hz以下运行，如果确实需要在15Hz以下长期运行，需考虑电动机的容量温升，必要时应采用外置强制冷却措施，或拆除电动机本身的冷却扇叶，利用原扇罩固定安装一台小功率（如25W，三相）轴流风机对电动机进行冷却。如果电动机的起动转矩能满足要求，宜选用通用变频器的降转矩U/f模式，以获得较大的节能效果。若通用变频器用于离心式风机，由于风机的转动惯量较大，加减速时间应适当加大，以避免在加减速过程中出现过电流保护动作或再生过电压保护动作。要特别注意50Hz以上高速运行的情况，若超速过多，会使负载电流迅速增大，导致设备烧毁，使用时应设定上限频率，限制最高运行频率。

4）在使用变频器驱动高速电动机时，由于高速电动机的电抗小，高次谐波的增加导致输出电流值增大。所以高速电动机的变频器选型，其容量要稍大于普通电动机的选型。

5）变频器如果需要长电缆运行，应选择1.14.5～1.14.6节中介绍的变频器专用电力电缆和控制电缆；若选择普通电力电缆和控制电缆，则要采取措施抑制普通长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，变频器容量要放大一级或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6）对于普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载（如深水泵等），则需要参考电动机的性能参数，以最大电流确定变频器的电流和过载能力。