变频驱动中心的特点及其应用

常国庆 CHANG Guo-qing；秦云 QIN Yun

（山西科泰自动化科技有限公司，长治046011）

0 引言

目前，多数应用是分散设备的布置，分散的单机变频驱动方式有以下问题:①独立的用电设备多，供电与保护匹配不佳，易出故障，维护量大；②设备连接电缆多,连接点多,连接电缆长,能耗高，占用空间大。针对上述缺点，经过多年变频器的研发和现场调试应用，我们开发出一种集总度高匹配合理驱动性能优良的大功率的变频驱动设备，而且适应矿山网络化发展的需要，有完善的自动控制功能，适应面广。将传统驱动方式改为变频驱动中心，可以大大提高设备性能价格比，发挥先进设备的优势。

1 变频驱动中心的特点

1.1 产品的结构形式 这是一种应用型创新产品，是将矿用隔爆型高压开关，矿用隔爆型干式变压器与矿用隔爆兼本质安全型变频器（代表产品：BPJ-2X500/1140Y，发明专利号：ZL.201110234521.X）通过某种防爆形式组合形成的新产品——变频驱动中心。

1.2 产品的功能特点 驱动中心适用于多机驱动，智能化程度高，人机交互友好，占用空间小，外围接线少，性能稳定可靠，平均无故障时间长，性价比高，最适于爆炸性的工业环境。

输出路数：2回路。

保护方式：漏电保护，漏电闭锁，短路，过载，IGBT保护，过欠压及电机温度。

人机对话：大屏幕显示器与鼠标操作。

通讯：现场总场与工业以太网。

1.2.1 高压开关特点 变频驱动中心高压侧使用的是高压开关（矿用隔爆型高压真空配电装置），对井下10kV/50Hz（或6kV/50Hz）额定电流400A及以下中性点不接地供电系统进行控制和保护，同时作为10kV（或6kV）高压侧开关使用。有数字显示与短路、过载、过欠压和缺相等保护。

1.2.2 隔爆型干式变压器特点 矿用隔爆型干式变压器,采用高品质的NOMEX○R绝缘材料制造的非包封式干式变压器技术。高压线圈采用层式结构，提高椭圆线圈辐向机械强度。铁心采用优质高导磁率冷轧硅钢片，心柱为椭圆截面，全斜接缝，上、下铁轭用拉板、拉带紧固，结构先进、紧凑、可靠。防爆壳体采用波纹筒式结构，具有良好的散热性能，机械强度高，结构紧凑。变比10kV（或6kV）/1.2kV。

1.2.3 驱动中心用变频器特点 驱动中心用变频器位于低压侧，由变频器本体和控制单元组成，有滤波、整流、能量储存、逆变及输出，16位智能控制器，参数显示、通讯选择和漏电、漏电闭锁及短路、过载等保护。

变频器作为一种电源变换装置，它的输出电压和频率是可变的，经过工业环境的带载测试，加减速特性符合要求，系统运行稳定可靠，平均无故障时间达5000h,提供有数据显示、图形图像显示，故障记录。速度控制精度开环达±0.5%，闭环达±0.1%，转矩控制精度达2-4%，可选择U/f控制或者矢量控制方式，低速起动性能优良。

过载能力可达 1.5 Ie（60S），1.8 Ie（10S），能够满足电机的起动需要和短时间过载的要求。

采用无速度传感器的矢量控制方式（SVC），SPWM调制，这是目前主流的控制原理，输出谐波进一步减小，提高了电机的运行效率和使用寿命。如果闭环控制，能提高控制精度和缩短系统响应时间，这在侧重于速度控制方面是必要的，在力矩控制方面可以将输出力矩提升到180%额定转矩输出。

自动电压调整功能，短时的输入电压波动不会影响到输出电压。由于中间直流电路的储能作用，快速的SPWM调制方式能使输出电压保持恒定。

变频器的散热装置是热管风冷，或者是水冷进行冷却，加载试验证明这两种冷却方式良好，根据应用现场不同可以任选其一。

1.3 变频驱动中心基本配置的特点和优势 ①优化了传统的变频器与电源的连接方式，设备直接对接，省掉了中间连接电缆和连接器的过程，使设备易于维护。②设备组成紧凑，占地面积较小，性能匹配合理，保护功能模块式融为一体，提高了保护的速动性，灵敏性和可靠性，避免了冗余保护和误动作。③同腔内的两台驱动单元既独立又联系和智能控制器是“变频驱动中心”的核心，电磁兼容性好，可分别进行独立的控制和操作，能适应不同的负载工况。④驱动中心有漏电、短路保护和漏电闭锁、过载保护、过欠压保护、缺相保护等。电气和机械闭锁保护安全可靠，高低压有机联动。⑤驱动中心电磁兼容性（EMC）符合国家相关标准。对电网和环境中的电子设备的影响小，同时，也能很好地抑制周围其他设备对本设备的干扰和影响。⑥驱动中心人机交互采用鼠标和彩色，只要使用鼠标点击选中的参数，就可对其操作。鼠标指针运行流畅平稳，鼠标设计美观，便于使用。⑦变频器本体主板上的通信控制功能（如：Modbus、Profibus-DP、Ethernet和光纤通信多种不同的通信模式），使用方便配置简单。

1.4 变频驱动中心应用 可应用于：①井下综采工作面的刮板运输机的驱动与调速控制；②胶带运输机的多点驱动与智能控制；③风机的驱动与调速控制；④水泵与压缩机的驱动与调速控制。

2 皮带输送系统的功率平衡

2.1 没有转速-脉冲发送器的开环调节 对于开环调节方法（无转速-脉冲发生器的情况），要测量给定电压（Us），并将该电压送给电压调节器（PWM），调节器输出相位差60°的驱动信号来控制逆变器，逆变器的输出由电流变送器，将电流额定值（Is）回馈到电流调节器，核心控制器通过运算单元控制逆变器的频率变换，逆变器输出可变的电压频率。在变频器的微处理器中存储有U/f函数及矢量算法，用户根据需要选择需要的运行方式。典型特征是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但存在过补偿或欠补偿的可能，无法避免负载转矩的变化影响转速的准确度，这是开环控制系统的不足之处。但是近年来无反馈矢量控制性能在单机驱动的应用中，异步电动机的低频机械性能已取得令人满意的结果，对于在动态性能要求不严格，调速范围又不很宽的场合，速度反馈可以不用。

2.2 具有转速-脉冲发送器的测速调节（闭环调节）前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制。我们知道，电力拖动系统的基本运动方程式Te-TL=

提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率dω/dt，归根结底，调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。

由于式中 ωs=sω1，（ωs为转差角频率；ω1是定子电流角频率）当电机稳态运行时，s值很小，因而ωs也很小，只有ω1的百分之几到零点几。在s值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通Φm不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比。就是说，在异步电机中控制ωs，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。

上面分析的转差频率控制概念是在转矩近似公式：

上得到的，当ωs较大时，就得采用下式（精确转矩公式），

式中：ω1——同步角频率（ω1=2πf1/p）；

Us——定子相电压；

Rs——定子绕组电阻；

L1s——定子绕组漏电感；

L1′r——折算到定子回路的转子绕组漏电感；

进一步进行数学分析可知，当Te达到其最大值Temax时，s 达到 smax值。取 dTe/dωs=0，可得

在转差频率控制系统中，只要给ωs限幅，使其限幅值为：ωs＜ωsmax=

就可以基本保持Te与s的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本规律之一。上述规律是在保持Φm恒定的前提下才成立的。

我们知道，按恒Eg/ω（1Eg为定子电动势）控制时可保持Φm恒定。由此可见，要实现恒Eg/ω1控制，须在Us/ω1=恒值的基础上再提高电压Us以补偿定子电流压降。如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时，恒Eg/ω1控制所需的电压-频率特性Us=（fω1，Is）。

上述关系表明，只要Us和ω1及Is的关系符合上图所示特性，就能保持Eg/ω1恒定，也就是保持Φm恒定。这是转差频率控制的基本规律之二。

总结起来，转差频率控制的规律是：①在ωs≤ωsmax的范围内，转矩Te基本上与ωs成正比，条件是气隙磁通不变。②在不同的定子电流值时，按上图的函数关系Us=（fω1，Is）控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通Φm恒定。

这种调节方法的最大优点就是，与实际给定频率无关，逆变输出的电流或转矩只与转差率有关。是能够提高系统的动态性能的。

2.3 带有转速-脉冲发送器的转矩控制传动装置 在转矩控制的变频器中，转速调节器的功能将被屏蔽。转矩额定值与在转速控制装置中的转速额定值一样，是通过外设给定的。转矩是由阻力转矩和惯量共同产生，在起动状态下，电机转矩克服阻力矩，算法功能会根据电力拖动的数学模型计算产生一个实时负载转矩。针对传输带的运用情况，分机转矩将由主机提供，分别给每一台从机变频器，从机根据计算做出转速提升或者减小。由于带有转速-脉冲发送器反馈回来的数据没有经过太多的软件计算，而是直接读来的，所以响应速度很快，低频性能也得到改善。

2.4 皮带输送机对驱动滚筒的要求 为了延长皮带的使用寿命，皮带尽可能在整个长度方向受力均匀，皮带运行过程中，不希望局部过于松弛或者过度张紧，对于驱动滚筒与皮带接触的部位更是如此。在围抱角一定的情况下，如果两个或者两个以上的滚筒在系统运行中的速度不同，会出现皮带与滚筒接触部位的磨损程度不同，速度快的滚筒部位摩擦力大于速度慢的滚筒接触部位的摩擦力，造成的结果是受力大的部位会对滚筒和皮带造成很大的磨损甚至是过多的摩擦热量烧毁皮带和滚筒。同时也会出现部分滚筒不出力或者出力较小的现象，甚至频繁出现能量回馈现象，这是由多种情况决定的。为此，解决多滚筒驱动的皮带受力均衡或功率平衡是非常必要的，调速性能的优势彻底解决了大的负载惯量对机械的、电网的冲击，降低了皮带的张力要求。

2.5 多电机驱动的皮带输送机 在皮带长度方向上分布着多个驱动装置时，需考虑，如：不相同的驱动滚筒直径、不同的电机转速等；不同的摩擦力，可能出现打滑现象；较长传输带将出现一个与负载相关的惯性和缓冲性的弹性-弛张现象，这有可能导致振动现象。

解决这些传动问题最好的办法就是要设置主从机工作方式，还要考虑系统响应时间，比如比例系数，积分时间，和超前时间。一般的有效方法是转速调节作为主机，其他驱动装置跟踪主机，即转矩-跟踪控制法。

通过调节从机变频器转速，就可以避免不均衡分布负载，在此期间，从机会定时受到来自主机的参考转矩，从机的实时转矩值将与该值进行比较，这将得出一个附加转速额定值，并叠加到本机的转速额定值上。例如，如果从机的滚筒直径比主机的小，那么将会出现一个正的附加额定值，这时随动装置的转速就可加快，使转矩得到均衡。例如，从机0.98倍滚筒直经与主机的相同，这时就产生一个系数1/0.98=1.02，这个参数项解决了不同的滚筒直径问题。

如上所说，在从机内的过程调节器进行主机转矩和随动装置转矩的对比。调节器的输出可以是转速额定值的一个乘数因子，以随时改变转矩值直至转矩一致为止。同时也解决了电机的特性差异导致电流不均衡的问题，对此有专门的参数项进行设定。以便使皮带受力均匀，延长皮带的使用寿命。转矩平衡是一种负载均等的分配应用，用于系统中同轴上有两个电机或者接近于刚性连接的系统有多个电机时的应用场合。变频器本体增加了转矩平衡模块，其中嵌入了转矩平衡的程序和数学运算方法。

如果主机的给定量是频率信号，从机给定量是电流或者转矩。从机的参变量即参考频率源来自主机，调整量是转差频率，输出量是电流或者转矩。从机的参考电流或者转矩值来自主机，并通过控制器中的转矩平衡模块所选择的功能予以实现多机平衡，这就是转矩平衡的原理。这一过程的实现可通过内网络，进行转矩跟踪调整，根据系统负载惯量的大小，主机向从机发送数据间隔时间在几毫秒到几十毫秒，通常根据应用现场进行调整，以便使动态性能良好。

容易实现运量的自动调整。快速的控制算法能满足皮带运输机任何速度下的功率平衡，提高了动态性能。而且，驱动中心变频器的功率平衡功能远高于液力偶合器和CST系统，这要取决于变频器的电子电力变换技术的良好的控制特性，因此，该技术自上个世纪80年代成熟以后，便得到了重视和应用。

3 电磁兼容性EMC

变频器是电力电子设备，其输入侧是一个非线性整流电路，由于逆变开关的作用使输出侧的正弦波电压或电流又含有丰富的谐波，因此，变频器的运行既要防止环境对其干扰，也要防止它干扰环境，必须考虑电磁兼容（EMC）。电磁兼容性包括两方面：EMI（电磁干扰），EMS（电磁耐受）两方面。一个设备同时是干扰源和接受体。电磁干扰有三要素：电磁干扰源、电磁干扰传递途径（传导、辐射、耦合）及接受电磁干扰的响应者。人们将电气设备分为发射干扰源和接受干扰体，电磁兼容性规定干扰源的干扰不影响被干扰体。

SPWM调制波中谐波主要是调制波基频、2倍频及其附近的谐波，容易滤除，只要在输出侧增加一个比输入侧小的电抗器就能达到较好的滤波效果。

整流器从电源中取得电流，其幅度与机器的负载状况有关，似锯齿波。它可以分解为一个基波电流和具有5-、7-、11-、13-…倍基本频率的谐波电流。且谐波的幅值与谐波次数成反比。对于12脉冲输入端电路，几乎没有第5、第7谐波。对于18脉冲还没有第11和13谐波。

许多PDS（电气传动系统）在工业环境下（第二类环境）无滤波器都能正常工作，对其它的装置和设备产生可见骚扰小。性能和成本应兼顾考虑，用于减少来自PDS发射的滤波器同时也降低了PDS的效率，并增大了设备的尺寸和成本，若经过装置和设备内部的布局优化可以降低骚扰值，需对该装置提出较高的设计要求。然而，为了减小来自PDS的发射而采用的高频共模滤波方式往往会破坏配电网与地绝缘的这一设计原则，对电网系统的安全造成危害。所以，在中性点绝缘的供电系统中使用滤波装置需要格外注意，对此，在设计变频器时，应考虑这一因素。

4 结束语

以上从产品的结构形式、配置特点、产品原理框图、产品的功能特点、EMC特性分析了变频驱动中心，产品集成度高，可适用于高压10kV或6kV的供电环境，可以配置两台500kW/1140V（及其500kW以下）的三相异步电动机，两台电机可分别控制，同时控制，可用于水泵、风机等负载类别，但是在带式输送机的应用领域，更能体现出设备高的性能价格比。占地面积小，外围接线少，克服了不同厂家产品兼容性差的缺点，EMC性能优良。实际运行表明故障率比同等功率的变频装置降低50%左右，运行稳定性好。一次投资之后的维护费用将减少80%，大大提高了生产效率。

转矩平衡是一种负载均等的分配应用，用于系统中同轴上有两个电机或者接近于刚性连接的系统有多个电机的场合，在皮带运输系统的应用表明，不但延长了皮带使用寿命2-3倍，也降低对皮带性能和强度的要求，在节能和节约设备投资方面也非常突出，在日产量为2万吨原煤的输送机系统中，值得推荐使用，同时还考虑网络化的集成方案，网络兼容性好，能适应煤矿井下的光纤环网。

[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术（第3版）[M].机械工业出版社，2005.

[2]吴忠智，吴加林.变频器应用手册（第3版）[M].机械工业出版社，2007（3）.

[3]曲水印主编.电力电子变流技术（第3版）[M].冶金工业出版社，2002.