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摘要：本文在簡介變頻器效率、變頻器容量的基礎上，重點論述了電動機在連續運轉工況、電動機在頻繁加減速工況及一臺變頻器驅動多臺電動機運行時變頻器容量的優化選擇方法。

關鍵詞：效率容量選擇

1  變頻器效率

    變頻器效率是指其本身變換效率，交-交變頻器盡管效率較高，但調頻范圍受到限制，應用也受到限制，目前通用的變頻器主要為交-直-交型，所以交-直-交變頻器的損耗有三部分組成，整流損耗約占總損耗的40%，逆變損耗約占50%，控制回路損耗占10%。其前兩項損耗是隨著變頻器的容量、負荷、拓撲結構的不同而變化的，而控制回路損耗不隨變頻器容量、負荷而變化。變頻器采用大功率自關斷開關器件等現代電力電子技術，其整流損耗、逆變損耗等都比采用傳統電子技術的損耗小，變頻器在額定狀態運行時，其效率為86.4%～96%，變頻器的效率隨著變頻器功率增大而提高。

    從效率角度出發，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：

①變頻器功率值與電動機功率值相匹配時最合適，以使變頻器在高的效率值下運行。

②在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，并應略大于電動機的功率。

③當電動機屬頻繁啟動、制動工作或處于重載啟動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。

④經實際測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意電動機瞬時峰值電流是否會造成變頻器過電流保護動作。

    當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果。

2  變頻器容量

    變頻器的容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或本公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。不管是哪一種表示方法，歸根到底還是對變頻器額定電流的選擇，應結合實際情況根據電動機有可能向變頻器吸收的電流來決定。

    選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。在確定變頻器容量前應仔細了解生產工藝設備的情況及電動機參數，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業常用的輥道電動機不僅額定電流大，同時它允許短時處于堵轉工作狀態，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。通常變頻器的過載能力有兩種：

①1.2倍的額定電流，可持續1min。

②1.5倍的額定電流，可持續1min。

    變頻器的允許過電流與過載時間呈反時限的關系。如1.2(1.5)倍的額定電流可持續1min；而1.8(2.0)倍的額定電流，可持續0.5min。這就意味著不論任何時候變頻器向電動機提供的電流在1min（或0.5min）時間內限制在允許范圍內。過載能力這個指標，對電動機來說，只有在啟動（加速）過程中才有意義，在運行過程中，實際上等同于不允許過載。

    變頻器的額定功率指的是它適用的4極交流異步電動機的功率，由于同容量電動機，其極數不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數的增多，電動機額定電流增大。變頻器的容量選擇不能以電動機額定功率為依據。同時，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據。因為，電動機的容量選擇要考慮最大負荷、富裕系數、電動機規格等因素，往往電動機的容量富裕量較大，工業用電動機常常在50%～60%額定負荷下運行。若以電動機額定電流為依據來選擇變頻器的容量，留有富裕量太大，造成經濟上的浪費，而可靠性并沒有因此得到提高。

    變頻器與電動機的匹配主要還是電動機的額定電壓及額定電流，如果電動機額定電流小于同功率的變頻器的額定電流，一般來說用同等功率的就足夠了，如果電動機額定電流大于同功率的變頻器的額定電流，只好用大一級的變頻器。另外：如果負載較重且啟動頻繁要考慮變頻器容量放大一級，如用于高原或電動機接線太長要考慮變頻器的輸出能力，可能也要放大一級，并要采取相應的措施。

    對于異步電動機，變頻器的容量選擇應以變頻器的額定電流大于或等于電動機的最大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以最大限度地節約資金。對于重載啟動、高溫環境、繞線式異步電動機、同步電動機等條件下，變頻調速器的容量應適當加大。

3  變頻器容量的優化選擇方法

    變頻器容量的選擇是一個重要且復雜的問題，要考慮變頻器容量與電動機容量的匹配，容量偏小會影響電動機有效力矩的輸出，影響系統的正常運行，甚至損壞裝置，而容量偏大則電流的諧波分量會增大，也增加了設備投資。變頻器容量選擇可分以下三步：

①了解負載性質和變化規律，計算出負載電流的大小或作出負載電流圖。

②預選變頻器容量。

③校驗預選變頻器。必要時進行過載能力和啟動能力的校驗。若都通過，則預選的變頻器容量便選定了；否則從②開始重新進行，直到通過為止。

    在滿足生產機械要求的前提下，變頻器容量越小越經濟。在選型前，首先要根據機械對轉速(最高、最低)和轉矩(啟動、連續及過載)的要求，確定機械要求的最大輸入功率(即電動機的額定功率最小值)。

P=n.×T/9950(kW)

式中：P為機械要求的輸入功率(kW)；n為機械轉速(轉/分)；T為機械的最大轉矩(N.m)。

    然后，選擇電動機的極數和額定功率。電動機的極數決定了同步轉速，要求電動機的同步轉速盡可能地覆蓋整個調速范圍，使連續負載容量高一些。為了充分利用設備潛能，避免浪費，可允許電動機短時超出同步速度，但必須小于電動機允許的最高速度。轉矩應取設備在啟動、連續運行、過載或最高速等狀態下的最大轉矩。最后，根據變頻器輸出功率和額定電流稍大于電動機的功率和額定電流確定變頻器的參數與型號。需注意的是，變頻器的額定容量及參數是針對一定的海拔高度和環境溫度而標出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40℃或25℃以下。若使用環境超出該規定，在變頻器參數、型號確定前要考慮由此造成的降容因素。合理的選擇變頻器容量本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗，比較簡便的方法有三種：

①電動機實際功率確定法。首先測定電動機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。

②公式法。設安全系數，通常取1.05，則變頻器的容量Pb為

Pb＝1.05[Pm／（PW×cosφ）]

式中：Pm為電動機負載；PW為電動機功率，cosφ為電動機功率因數。

    計算出Pb后，按變頻器產品目錄選具體規格。當一臺變頻器用于多臺電動機時，應滿足至少要考慮一臺最大電動機啟動電流的影響，以避免變頻器過流保護動作。

③電動機額定電流法。對于輕負載類，變頻器額定電流一般應按1.1IN（IN為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電動機功率來選擇。

（1）電動機連續運轉時所需的變頻器容量的計算

    由于變頻器輸出給電動機的是脈沖電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當的余量。此時，變頻器應同時滿足以下三個條件：

式中：PM為電動機輸出功率；η為效率(取0.85)；cossφ為功率因數(取0.75)；UM為電壓(V)、IM為電流(A)；K為電流波形的修正系數(PWM方式取1.05～1.1)；PCN為變頻器的額定容量(kVA)；ICN為變頻器的額定電流(A)。

    電動機由低頻低壓啟動或由軟啟動器啟動，變頻器只用來完成變頻調速時，要求變頻器的額定電流稍大于電動機的額定電流即可：

IFN≥1.1IMN，

式中：IFN為變頻器額定電流，IMN為電動機額定電流。

    電動機在額定電壓、額定頻率直接啟動時，對三相電動機而言，由電動機的額定數據可知，啟動電流是額定電流的5～7倍。因而得用下式來計算變頻器的頻定電流。

IFN≥Imst/KFg

式中：Imst為電動機在額定電壓，額定頻率時的啟動電流。KFg為變頻器的過載倍數

（2）電動機加減速時變頻器容量的選擇

    變頻器的最大輸出轉矩是由變頻器的最大輸出電流決定的，一般情況下，對于短時的加減速而言，變頻器允許達到額定輸出電流的130％～150％(視變頻器容量)，因此，在短時加減速時的輸出轉矩也可以增大；反之，如只需要較小的加減速轉矩時，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈動原因，此時應將變頻器的最大輸出電流降低10％后再進行選定。

    很多情況下電動機的負載具有周期性變化的特點，在此情況下，按最小負載選擇變頻器的容量，將出現過載，而按最大負載選擇，將是不經濟的。由此推知，變頻器的容量可在最大負載與最小負載之間適當選擇，以便變頻器得到充分利用而又不過載。

    首先作出電動機負載電流圖，然后求出平均負載電流Iav再預選變頻器的容量，Iav的計算的公式如下：

Iav=（I1t1+I2t2+…+Ijtj+…）÷（t1+t2+…+tj+…）

式中，Ij為第j段運行狀態下的平均電流，tj為第j段運行狀態下對應的時間。

    考慮到過渡過程中，電動機從變頻器吸收的電流要比穩定運行時大，而上述Iav沒有反映過渡過程中的情況。因此，變頻器的容量按IFN≥（1.1～1.2）Iav修正后預選。若過渡過程在整個工作過程中占較大比重，則系數(1.1～1.2)選偏大的值。

    非周期性變化負載連續運行時，一般難以作出負載電流圖，可按電動機在輸出最大轉矩時的電流計算變頻器的額定電流：

IFN≥IM(max)/KFg

式中：IM(max)為電動機在輸出最大轉矩時的電流。

    也可根據加速、恒速、減速等各種運行狀態下的電流值I1CN選擇變頻器的額定電流，I1CN的計算的公式如下：

I1CN＝[(I1t1+I2t2+…+Intn)/(t1+t2+…tn)]K0

式中：I1CN為變頻器額定輸出電流(A)；I1、I2、…In為各運行狀態平均電流(A)；t1、t2、…tn為各運行狀態下的時間；K0為安全系數(運行頻繁時取1.2，其它條件下為1.1)。

    在計算出負載電流后，還應考慮三個方面的因素：

①用變頻器供電時，電動機電流的脈動相對工頻供電時要大些；

②電動機的啟動要求。即是由低頻低壓啟動，還是額定電壓、額定頻率直接啟動。

③變頻器使用說明書中的相關數據是用標準電動機測試出來的，要注意按常規設計生產的電動機在性能上可能有一定差異，故計算變頻器的容量時要留適當余量。

    在電動機啟動（加速）的過程中電動機不僅要負擔穩速運行的負載轉矩，還要負擔加速轉矩，如果生產機械對啟動（加速）時間無特殊要求，可適當延長啟動（加速）時間來避讓峰值電流。若生產機械對啟動（加速）時間有一定要求，就要慎重考慮。

    如前所述，變頻器的允許電流與過程時間呈反時限關系。如果電動機啟動（加速）時，其電流小于變頻器的過載能力，則預選容量通過，如果電動機啟動（加速）時，其電流已達到變頻器的過載能力，而要求的加速時間又與變頻器過載能力規定的時限發生沖突，這時，變頻器的容量應在預選容量的基礎上增容。

（3）一臺變頻器驅動多臺電動機，且多臺電動機并聯運行時變頻器容量的選擇

    用一臺變頻器驅動多臺電動機并聯運轉時，對于已有幾臺電動機啟動運行后，再啟動其他電動機的場合，此時變頻器的電壓、頻率已經上升，電動機啟動將產生大的啟動電流，因此，變頻器容量與同時啟動時相比需要大些。以變頻器短時過載能力為150％/1min為例計算變頻器的容量，此時若電動機加速時間在1min內，則應滿足以下兩式：

若電動機加速在1mn以上時，則應滿足以下兩式：

式中：nT為并聯電動機的臺數；nS為同時啟動的臺數；PCN1為連續容量(kVA)；PCN1=KPMnT/ηcosφ；PM為電動機輸出功率；η為電動機的效率(約取0.85)；cosφ為電動機的功率因數(常取0.75)；Ks為電動機啟動電流/電動機額定電流；IM為電動機額定電流；K為電流波形正系數(PWM方式取1.05～1.10)；PCN為變頻器容量(kVA)；ICN為變頻器額定電流(A)。

    變頻器驅動多臺電動機，但其中可能有一臺電動機隨時投入運行或隨時退出運行。此時變頻器的額定輸出電流可按下式計算：

式中：IICN為變頻器額定輸出電流(A)；IMN為電動機額定輸入電流(A)；IMQ為最大一臺電動機的啟動電流(A)；K為安全系數，一般取1.05～1.10；J為余下的電動機臺數。

    一臺變頻器同時供多臺電動機使用，除了要考慮一拖一的幾種情形外，還可以根據以下二種情況區別對待。

①各臺電動機均由低頻低壓啟動，在正常運行后不要求其中某臺因故障停機的電動機重新直接啟動，這時變頻器容量可按下式計算：

IFN≥IM(max)+ΣIMN

式中：ΣIMN為其余各臺電動機的額定電流之和，IMst(max)為最大電動機的啟動電流。

②一部分電動機直接啟動，另一部分電動機由低頻低壓啟動。除了使電動機運行的總電流不超過變頻器的額定輸出電流之外，還要考慮所有直接啟動電動機的啟動電流，即

IFN≥(ΣIMst'+ΣIMN')/KFg

式中：ΣIMst'為所有直接啟動電動機在額定電壓，額定頻率下的啟動電流總和，ΣIMN為全部電動機額定電流的總和）。

4  結束語

    變頻器容量的優化選擇總的原則是首先保證可靠地滿足工藝要求，再盡可能節省資金。并要根據生產工藝環節、負載特性及具體工況的要求選擇變頻器的容量，在選擇時應以實際電動機電流值作為變頻器選擇的依據，電動機的額定功率只能作為參考，以使設計的變頻調速系統具有高的性價比，高的動靜態品質，以利于經濟運行而達到較高的節能效果。