施耐德电气变频器用于永磁同步电机的现场测试

施耐德电气 （中国）有限公司

施耐德电气变频器用于永磁同步电机的现场测试

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1 应用背景介绍

目前，施耐德电气普通版的ATV61/71变频器用于永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor 简称 PMSM）性能一般，尤其是对于凸极度较高的电机（Ld<

ATV630已经先行面世，其内部集成了开环同步电机控制的算法再次给我们带来了希望。近期，STIE&GHD 和施耐德电气先后在 MHP 的同步电机上做了现场测试，结果比较令人满意。

2 应用测试一

2.1 试验条件

负载为柱塞泵，这种泵属于正位移容积泵，为典型的恒转矩负载，流体的流量与电机的转速成正比，与压差关系不大。在压差恒定的情况下，所需的功率与转速成正比。在很多情况下，为了保证过载能力，需要将电机放大一档选型，在匹配变频器时，需要按照重载选型。

在本次测试中，所用柱塞泵的铭牌参数为 ：

Delta P=550mPa; n stages=1309-3481 1/min; Volume=11.0-35.6m3/min; Pin=14.97-43.33kW

电机铭牌参数为：

Un=370Volts,Freq=240Hz,n= 3600rpm,Pn=50KW,Nm=132.6,In=105A, Imax/In=145%,Eff=95.5%,Ins.Cl=F, Standard=IEC60034-1

最后所列标准表面其耐受电压尖峰和 dv/dt 符合变频器专用电机的要求。

测试所使用的变频器为 ATV630HD55N4，V1.1IE03_B03

输出能力为：

ND: Icont=106A, I trans=116.6A, HD: Icont=88A , Itrans=132A.

2.2 基本参数设置

（1）同步电机参数

额定电流nCrS=105A，额定转矩TQS=132NM，额定转速nSPS=3600rpm，极对数PPnS=4;功率nPr=50Hz，电动势系数PHS=84(计算值)。

（2）应用参数

下限频率LSP=87Hz，上限频率HSP=227Hz，加速时间ACC=10s，减速时间dEC=10s，第二加速时间AC2=72 秒，第二减速时间dE2=72 秒，斜坡切换频率Frt=10Hz。

2.3 电机参数自整定

进行参数自整定后，获得如下电机模型参数：

直轴电感LDS=0.58mH，交轴电感LQS=0.829mH，定子电阻RSAS=34.4mOhm.

2.4 轻载运行

根据上述输入参数和自整定的结果，电机可以不报故障地运行，但是电机电流略大；通过Modbus 监控参数RDAE（暂未开放，在下个版本有望作为标准参数开放），调整PHS的设置，使RADE 趋近于零，获得最优的PHS值=60mv/rpm，电流最佳，如图1所示。

图1 PHS的调整运行特性曲线

从图中可以看到，PHS的手动调整对运行电流的影响起到很大的作用，没有手动调整PHS时， 起动瞬间电流达到电机额定电流的40%，稳定运行电流为电机额定电流的60%；手动调整 PHS后（使 RDAE 接近于零），电机起动瞬间电流降低到电机额定电流的15%，稳定运行电流为电机额定电流的50%，9%额定运行速度以上都是稳定区。

2.5 满载运行

带载运行，速度为额定速度的15%时，负载转矩为65%，速度为额定速度的95%时，负载转矩为 80%。如图2所示。

图2 带载运行特性

由于电机相对于柱塞泵选大了一档，所以即使柱塞泵满载运行，电机的额定电流也没有达到额定值。

从图2中可以印证，柱塞泵负载基本上是一种恒转矩负载，跟离心泵有着根本的区别。但即使如此，ATV630带同步电机也很顺利就将其起动起来，整个过程波澜不惊。仅就这点而言，ATV630 比 ATV61/71 有了较大提高。

降速停机的过程也非常顺利，由于降速较慢，所以整个过程电机仍然以电动机方式运行，几乎是起动的反过程。

客户对调试结果表示满意，ATV630驱动同步电机调试简单，运行可靠，相对于 ATV61/71在 这方面的表现有很大提高。

3 应用测试二

3.1 试验条件

负载为螺杆式空气压缩机。目前标准机型为异步电机通过皮带或者联轴器拖动螺杆式压缩机头。但市场上有一个明显的趋势是采用一体化的同步电机压缩机头，它将同步电机和压缩机头同轴。由于永磁同步电机的体积小，噪声低，能效高，而且它在不带额外强制风冷的情况下，允许长期低速带载运行，所以使得空压机能够不卸载或者少卸载运行，保证管网压力的持续稳定。在专业展会上越来越多的厂家展出永磁同步电机压缩机或者机头，国内厂家也跃跃欲试，吸引国内外变频器生产厂家配套试验，意图抢得先机。

（1）电机铭牌参数

Un=380V, Freq=155Hz, n=3110rpm, Pole Pairs=3,Pn=37KW,T n=114Nm,Imax=75A,EFF=0.94, Ins.CL=F, Rating = Class 1, Service Factor=1.15,

（2）设计参数

LD=0.53mH, LQ=1.046mH, PHS=86.6mH

被测试的变频器规格为ATV630HD37N4, Icont=74.5A, Itrans=92.3A， Firmware V1.1IE01

3.2 基本参数设置

（1）同步电机参数 ：

额定电流nCrS=75A，额定转矩TQS=114NM，额定转速nSPS=3100rpm，极对数PPnS=3；功率nPr=37kW，电动势系数PHS=100mV/rpm（计算值）。

（2）应用参数

下限频率LSP=15Hz，上限频率HSP=155Hz，加速时间ACC=30s，减速时间 dEC=30s。

3.3 电机参数自整定及空载运行

进行参数自整定后，获得如下电机模型参数：

直轴电感LDS=0.518mH，交轴电感LQS=1.047mH，定子电阻RSAS=17.5mOhm.

将空压机卸载，螺杆机头处于处于空载状态。

采用计算值PHS=100mV/rpm，变频器报TJF（IGBT 过热故障）无法起动，逐渐减小此值，当PHS=90mV/min时，变频器可以起动，通过Modbus监视参数RDAE，细调PHS，使RDAE趋于零， 获得最佳的运行效果。最终PHS=87mV/min。

跟现场测试一一样，上述调试说明，参数RDAE应该开放为标准显式参数。事实上，ATV32变频器的同步电机模型经验证控制效果不错，而且其最新版本的固件已经将RDAE作为标准显式参数作为调试指导。

空载运行电流如表1所示（P=0）表中进线电流通过数字万用表测量。

表1 空载运行电流

这表明空载下：

（1）螺杆式空压机是一个恒转矩负载，电机电流几乎与转速无关；

（2）进线电流反映了从电网吸收的功率，基本与频率成线性关系，与理论相符。

3.4 负载运行

负载运行时，变频器和电机的运行状况记录如表2所示：

表2 变频器和电机的运行状况记录

这表明负载下：

（1）在 30Hz 以上，在相同的负载压力下，变频器的输出转矩和输出电流基本恒定，但是由于该空压机是与车间其它试验机一起工作，并非完全独立，其负载压力与流量之间的关系跟其它空 压机和用气负荷有一定关联，所以即使出口压力相同，不同时段变频器输出转矩和压力的关系并非一成不变。

（2）变频器的输出转矩与电机电流基本成正比，说明变频器对同步电机的模型算法相当准确，能够客观地计算出变频器的定转子磁场之间的夹角并保持恒定。

（3）变频器的输出电压与频率基本成正比，同步电机的定子磁场与转子磁场相对独立，受负载和磁场饱和的影响很小。

客户对当前调试的结果满意，认为ATV630调试简单，运行可靠。现场参与调试的工程师均表示，原来ATV61/71仅仅适用于凸极度较小的电机，而对于凸极度大的电机，调试难度大，而 且不能保证成功。大家对 ATV6XX 的表现充满了期待。

4 效果分析

测试现场一的永磁同步电机的铭牌见前述，异步电机的铭牌参数为：额定功率 Pn=50kW，额定转速 nN=2970rpm，额定频率 fN=50Hz，极对数 PPN=1，额定电压；Un=380V，额定电流In=95A，能效等级 IE2（在 IEC 标准中，属中等能效）。

用示波器观察变频器电源侧的电压（单相）和电流的波形类似，如图 3所示。

图3 变频器电源侧的电压和电流波形

图中，蓝色的曲线为电压波形，绿色的曲线为电流波形。

异步电机的测试数据为：Urms=233.6V，Freq=50Hz，Irms=69.67A，Active Power=45.93KW，COS(PHY1)=0.992，THDI=35.6%，引申计算出：Apparent Power=48.82KVA，Lamda=0.94，I1=65.49A

同步电机的测试数据为：Urms=233.6V，Freq=50Hz，Irms=68.22A，Active Power=44.7KW，COS（PHY1）=0.995，THDI=37.5%，引申计算出：Apparent Power=47.81KVA，Lamda=0.93，I1=63.45A

区别不是很大，电流谐波畸变率THDi均在 38%以内，综合功率因数Lamda均在0.93以上， 同步电机比异步电机消耗的功率大约低2.7%，即节能2.7%。

考虑到数字示波器计算的功率不准，现场又用客户的有功电度表实测了相同时间内二者的实际功耗，发现同步电机耗能11.96kW，异步电机耗能12.38kW，同步电机比异步电机节能 3.4%。

上述数据仅供象征性的参考，因为不同功率、不同能效等级的电机，运行在不同的负荷率，其效率是不同的，越大功率的异步电机效率越高，两者效率的差别越小。但是有一点需要说明的是，测试变频器驱动的电机的功率和效率，不能仅仅从变频器的输出电流即电机电流的大小来判断，而应该从变频器的进线侧通过有功功率表或者有功电能表来实际测量获得，因为变频器经过交直交变换，除了能量守恒定律仍然有效外，输入输出侧的电流，电压都没有直接的对应关系。