变频调速技术在工业大型电机上的应用设计

吴震　张文磊

【摘 要】本文针对大型电动机变频器的选用在设计中需要考虑的问题进行了阐述，讨论了电动机的问题、电缆的问题及厂房接地等方面全面的进行了分析思考，并给出了比较稳妥的设计方案，在可靠性要求较高的场合有着重要的参考意义。

【关键词】循环水泵；变频器；设计方案

0 引言

自20世纪70年代以来，随着电力电子技术、交流电动机调速控制理论等一系列关键技术的发展，交流电动机变频调速技术逐步成熟。在电气传动领域，变频调速系统因效率高、性能好已成为主流。在国家倡导的节能减排、绿色环保等战略背景的推动下，变频器产业具有非常巨大的市场潜力。

目前，变频调速技术的应用已经扩展到了工业生产的各个领域。厂矿、石油、轻纺、化工等风机、泵类负载，钢铁工业中的高炉鼓风机、冶炼除尘风机、传送带和水泵，牵引（包括船舶推进）、油气输送都大量应用了变频技术。

随着生产技术和制造工艺的发展，采用电力电子变换器的调速传动系统在电气传动领域应用的也从1995年两千千瓦扩大到今天的十几万千瓦，由于大型电动机在生产中的重要性较高，停机会造成较大的经济损失 所以此类电机选用中压变频器的考虑与低压变频器有所不同，本文就大型工业电机变频器的选型和设计结合自己工作中的实际例子谈下应该注意的问题。

1 大型工业电机调速变频器的应用方案

在变频器应用的范围越来越广泛的同时，功率也由于设备要求越来越大，由此广大的电气设备设计及使用人员就产生了一个问题，由于功率比较大的设备往往是在本电气系统中拥有重要地位的设备，这就对其可靠性有相当高得要求。选用变频器固然可以更加方便快捷的完成无级调速，从而更加符合各种工艺对于电机速度的要求。但是增加的变频器又是一个包含众多电力电子器件的十分复杂的电气系统，其可靠性对于系统的安全评估十分重要，因此会引起运行维护人员对与系统安全的担心。

变频器设备制造商在这个问题上采用大量的先进技术来改进和保障设备的安全运行。通常来讲，评价变频器性能的主要指标有可靠性（变频器行业内的叫法）、网侧谐波污染、输入功率因数、输出谐波、系统效率等。

作为设计人员为了保证设备的万无一失可以在电气主接线中采用旁路来提高系统的可靠性。本文以某大型核电厂的循环水泵的设计方案为例来简要阐述下旁路变频设计方案。

在江苏某大型电厂二回路的循环水泵，由于工艺的需要进行调速，该循泵电压6.0kV，功率5600kW。经过调查研究目前国内市场上的变频器的发展状况和安全可靠性能，最终决定采用变频器加旁路的方式实现循环水泵的调速。

旁路方案即指在变频调速的基础上辅以工频旁路以备变频器故障切换。这里要保证变频和工频的互锁，有些变频器由几组变频部件完成，当某些部件故障时可以临时降低功率运行，不会造成系统直接停机，只有当变频完全损害时可以由工频供电。其主接线如图1示。

系统设置两台台高压断路器，变频器前设置一台负荷开关。变频运行时，断路器KA1，KA3闭合KA2打开，工频运行时KA1、KA2闭合KA3打开。循环水泵的电机采用适合变频器要求的异步电动机，电机与循环水泵通过齿轮箱连接。齿轮箱保证循环水泵在变频器故障切换至工频运行时，循环水泵仍能在工艺可接受的转速范围内运行。

变频器故障时，水泵系统切换至工频运行的方式分为自动和手动，具体采用何种方式需根据实际需要和工况确定。在切换时，虽然电机定子侧的磁场能量在分闸瞬间已经释放，但电机转子侧的磁场能量由于自身成一回路，其能量消耗需要一定的时间（一般为1～3s，与电机容量有关），此时转子的磁场会在异步电动机定子侧感应出电动势，当同步检测单元检测到电动机的感应电压的衰减到允许范围后，给出的切换命令或信号，由设定的自动操作装置或人员手动切到工频运行。更为可靠的切换电路是采用同步检测单元和ATS双电源切换开关，因为ATS自带的机械联锁对于实现电路切换更为可靠。一般来讲，由于惯性在断电的间隙循环水泵会继续运行，切至工频后循环水泵即可进入稳定运行状态。

2 大型电机用变频器在电气设计中的应注意的问题

在变频器带来一系列控制领域的进步的同时，变频技术应用到传动中也产生了一些工程技术问题需要我们引起注意，并且有的需要及时进行防护和解决。

2.1 选型原则

变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再考虑经济效益。

变频器根据其结构特点分为电压源型变频器和电流源型变频器，一般情况下这两种类型的变频器都可以满足各类变频要求需要，具体的使用要结合各自的特点和设备的具体情况来定。

这两类变频器可根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：a.普通功能型V/f控制变频器；b.具有转矩控制功能的高性能型V/f控制变频器（也称无跳闸变频器）；c.矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩（T∝n■），低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速要求的机械采用具有转矩控制功能的高性能变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高功能型通用变频器。所以要首先明确自己的负荷要求再来选择变频器的类型。

2.2 变频器容量的选择

变频器在确定了功能类型之后选择容量，选择容量要注意以下几点：

（1）要根据机械对转速（最高、最低）和转矩（起动、连续及过载）的要求，确定机械要求的最大输入功率（即电机的额定功率最小值）。

（2）选择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步速度，但必须小于电机允许的最大速度。只有当同步转速与调速范围相差较大抑或不经变速箱输出转矩无法达到要求时才会加齿轮箱以保证工频时电机的运行速度满足工艺转速要求。

（3）变频器容量大多可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机额定电流要大于普通鼠笼异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多数是多电动机传动。应保持在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。

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要比电动机电流或功率大一个等级，一般为：

一般情况下变频器的功率比电动机功率大10%足以满足电机的电能需要，应注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40℃或25℃以下。若使用环境超出该规定，在根据变频器参数确定型号前要考虑由此造成的降容因素。

2.3 电动机选择

由于变频的载波频率较高，电动机绕组要承受较高的冲击电压。另外电动机效率下降，转速下降后产生的冷却效果降低，这些都是应该注意的。所以变频调速后，包括变频器和电动机损坏情况较多。如条件允许，可采用变频调速专用电动机。

由通用变频器构成的交流调速传动系统普遍采用标准异步电动机，采用PWM变频器对异步电动机供电时，定子电流中不可避免的含有高次谐波，电动机空载运行时的功率因数和效率将会更低，负载运行时的铁损也会有所增加。额定负载下电动机的电流增加约8%，温升增高20%左右，这对于长时间工作在满载或接近满载状态下的电动机而言是不可忽视的问题，故应适当加大电动机容量，以防温升过高，影响电动机的使用寿命。

通用的标准鼠笼异步电动机的散热能力是按额定转速下且进行自扇风冷考虑的，当恒转矩负载下电动机调速运行时，其发热不变但低速下的散热能力变差了，可采用另加恒速冷却风扇的办法或采用较高绝缘等级的电动机。

2.4 变频器的外部配置及应注意的问题

（1）选择合适的外部熔断器，以便保护因内部短路对整流元件的损坏。变频器的型号确定后，若变频器内部整流回路前没有保护硅元件的快速熔断器，变频器与电源之间应配置符合要求的熔断器和隔离开关，不能用断路器代替熔断器和隔离开关。

（2）选择变频器的引入和引出电缆

a.变频器的进线电缆由于是变频器与电网连接的地方，很容易收到变频器谐波的影响，为了防止电缆中高次谐波对电网侧的各种保护产生误动作，宜采用屏蔽动力电缆。

b.变频器的输出电压中确实含有除基波以外的其他谐波。较低次谐波通常对电机负载影响较大，由于磁通能量变化引起转矩脉动，而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制。变频器输出电压还因V/f特性的关系，在低频时输出电压很低，因此必须重视变频器与电动机之间的导线压降，变频器与电动机之间的导线不宜过长，导线的线径除满足载流量外，还要求导线压降不大于实际工作电压的2%左右。

c.控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

d.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90°角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

（3）大功率电机的变频器的接地问题

对于小型小功率的电气控制系统，如果系统地线与保护地线不分，系统还是可以正常工作的。但是，对于如轧钢机、集装箱提升设备等用高压大功率变流装置，系统抗干扰能力和安全保护可靠性的要求尤为突出，必须实施系统地线与保护地线的分离。

系统保护地母线一般采用与厂房钢结构连接而实现良好接地，而对于整个控制系统的系统地及屏蔽地通过地线汇流排连接至符合标准的单独接地极接地。地线汇流排一般要采用25m㎡以上大截面绝缘导线或镀绝缘漆铜排，以保证一点接地。此时要注意屏蔽的接地电极与变压器N线等其它强电设备接地电极的距离大于15m。变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地。

3 综述

综上所讲，变频器随着技术发展正在大功率设备的传动领域发挥着越来越大的作用，我们为了应对各种越来越高的工艺要求，设计出好的电气方案，就要对高压变频器的特点和出现的问题进行详细的了解和掌握，本文根据笔者自己的工作中碰到的一些问题进行了归纳和总结，希望对各位同行的以后的工作有所助益，亦为抛砖引玉望能得到各位专家前辈的批评指导。

【参考文献】

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[Z].4版.

[责任编辑：杨玉洁]