0 引言

變頻調速技術從上世紀90 年代中期開始應用在我廠設計生產的機電產品中。我廠的機電產品主要是電站起重設備，起重設備在電氣傳動中屬于一種比較特殊的負載類型，從傳動角度來說它強調的是動態(tài)性能，從控制角度來說更重視系統(tǒng)對安全性和可靠性的保障能力。因此，變頻調速系統(tǒng)的設計應注意以下幾個方面。

1 變頻器控制方式的選擇

控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在，所以，必須首先確定負載特性，要弄清變頻器控制的對象是什么。其實只要按負載特性設計系統(tǒng)滿足使用要求、調速方便、運行可靠就可以了，這樣才能做到量才使用、經濟實惠，降低設計成本，并非檔次越高越好。

1.1 提升機構

提升機構的負載特性是位能性負載，也是恒轉矩負載。它對起動性能的要求是低速大轉矩，甚至有時需要達到零速滿轉矩，力矩響應要快。這就要求變頻器能夠產生比負載轉矩更大的轉矩，超出的這部分轉矩用于加速。位能性負載還要求在全速度范圍內力矩衰減要盡可能小，能經常地快速制動。下降時調速系統(tǒng)處于再生制動狀態(tài)，將再生的電能回饋到電網上或消耗在電阻上，同時要有足夠高的頻率分辨率。所以，選擇具有高起動性能、力矩響應快、低速力矩特性好，是起重設備對變頻器的主要要求。

ABB 公司的ACS800 系列是ACS600 系列的第二代采用DTC技術設計的變頻器，DTC控制技術也就是直接轉矩控制，它是目前最先進的控制交流異步電機的方式。直接轉矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入，該模型每隔25μs產生一組精確的轉矩和磁通實際值，轉矩比較器和磁通比較器將轉矩和磁通的實際值與轉矩和磁通的給定值進行比較，給出其最佳開關位置。由此可以看出它是通過對轉矩和磁通的測量，實時調整逆變電路的通斷狀態(tài)，進而調整電機的轉矩和磁通，以達到精確控制的目的。它能夠在開環(huán)方式下對轉速和轉矩進行準確控制，在零速附近區(qū)域達到1.5 倍額定力矩。如果再配上提升機專用軟件，就使得提升機構有了最佳的運行安全性和杰出的提升性能。

Siemens 公司的6SE70系列變頻器，采用的控制方式是磁場定向閉環(huán)控制，也就是矢量控制，它適用于高動態(tài)性能傳動的頻率控制和轉速控制等。矢量控制可以達到同直流傳動系統(tǒng)相媲美的動態(tài)性能，它能準確地推斷和調節(jié)轉矩電流分量和磁通分量，其調節(jié)頻率可達2.5 kHz，所以預先給定的轉矩可以準確地維持和限定，當調速范圍<1∶10 時可以不用測速編碼器，它的過載電流為額定電流的1.36 倍。6SE70系列變頻器的另一個最大特點是具有豐富的軟件功能，其軟件提供了最大的可操作性和靈活性。上述兩種變頻器在相同容量下，ABB 的ACS800系列的價格要高于Siemens公司的6SE70系列。

1.2 行走機構

行走機構的特點是電機正反向運行，始終處于電動狀態(tài)，無發(fā)電運行工況，機構起制動時間較長，所以變頻器選用無特殊限制，可用性比較寬。Siemens公司的6SE440 系列通用型變頻器是性價比較高的一種選擇。

2 變頻器容量的選擇

負載特性一旦確定變頻器容量可以用三個參數(shù)來表述，即變頻器的功率、額定電流和最大電流。在這三個電氣參數(shù)中，額定電流是一個反映變頻裝置負載能力的關鍵量，因此應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流不允許超過變頻器的額定電流，同時還應使電機的起動電流小于變頻器的最大電流，也就是說變頻器的過載能力一定要包絡電機過載能力。這是選擇變頻器的基本原則，下面舉例說明。

查變頻器選型手冊，變頻器過載能力ABB 為1.5，Siemens為1.36;

Imax為變頻器最大輸出電流，此值在電機軸功率為額定功率的150%時可以連續(xù)工作10 s。

依據(jù)以上三條選用ABB公司的ACS800 系列變頻器，訂貨號為ACS800-01-0050-3，變頻對應參數(shù)如下所列：

額定功率Pe=30 kW;

視在功率Smax= 39.49 kV·A;

額定電流Ihd=60 A;

最大電流Imax=112 A。

顯而易見，均滿足變頻運行電機YP2200L2-6的要求。

需要注意的是現(xiàn)在變頻調速系統(tǒng)中選用的電機大多為變頻電機，變頻電機的基準工作制為S1 (連續(xù)定額)，但是它也可運行在S3 (反復短時)工作方式下。當電機運行在S3工作方式時，電機的出力須增加15%。水電站上用于啟閉閘門的起重設備多為S3工作方式，計算選擇提升電機容量時，應滿足S3工作方式下傳動機構的需要。因此，在選擇變頻器時一定要知道機構運行在哪一種工作制下，否則會造成變頻器選小的可能。

3 快速熔斷器的選擇

變頻器必須使用快速熔斷器作為短路保護。由于變頻器內半導體和晶閘管的熱容量低，承受過載能力差，所以在發(fā)生過載或短路時希望快速斷電?？焖偃蹟嗥髟?.1 倍額定載荷電流時工作4～5 h都不會熔斷，但在4～6倍額定電流時僅0.02～0.03 s即迅速熔斷。國產RS3型熔斷器常用于大容量晶閘管器件的的短路保護，它分斷能力強，限流特性好，功率損耗低，能可靠保護半導體器件及其成套裝置。

熔體額定電流按IR≥ 1.5Ih來選擇，Ihd為變頻器連續(xù)額定電流，1.5 為變頻器容許的過載電流倍數(shù)(ABB)，不同廠商的變頻器過載電流倍數(shù)是不同的。

4 制動電阻器選擇

位能性負載在下降過程中，電機處于發(fā)電運行狀態(tài)并產生制動作用，此刻變頻器吸收電動機的動能，再生能量將存儲在變頻器的中間直流電路的儲能電容中，導致變頻器的直流母線電壓上升。當制動功率超過變頻器的功率損耗時，中間電路的電壓上升會使變頻器保護跳閘。因此在中間電路放置一個負載以吸收制動功率，負載由一個制動模塊和一個外部電阻器構成，制動模塊也就是常說的制動斬波器。有了這個制動單元后，當變頻器的中間回路電壓超過設定的極限值時，制動單元就開始起作用。有的變頻器廠商已經把制動斬波器集成在變頻器的內部，有的作為變頻器的可選件，在位能性負載中制動斬波器是必須選配的。制動電阻器應依據(jù)負載特性計算所得，一般按以下方法進行選擇。[!--empirenews.page--]

方法一的計算值要略小于方法二的計算值，也可以用兩種方法分別計算，選電阻器時將制動功率向上靠，電阻值向下靠，這樣可以保證有更大的電流泄放空間。在水電站一些高揚程起重機上這一點很重要，因為電阻器在不同工作制和暫載率下的電流值是不相同的，如果電阻器選擇不恰當，仍然會造成直流過壓故障。

5 注意事項

1)變頻器的工作環(huán)境變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而設計的，一般海拔在1 000 m以下、溫度在40℃以下不需要降容。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，在選擇變頻器時要考慮由此造成的降容因素。

2)變頻器主電路的連線變頻器的輸入線R、S、T，輸出線U、V、W 和接地線絕對不能錯接，否則會造成嚴重后果。水電站起重設備上的變頻器與電機之間距離比較長，在選擇電纜時除了考慮載流量以外還應考慮電壓降，一般要求△U≤(2～3)%U。從變頻器到電機之間的動力電纜最好選用屏蔽電纜，這樣可降低電磁輻射和容性漏電流。當電纜長度超過變頻器所允許的輸出電纜長度時，電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作，此時就要配置輸出電抗器。

3)變頻器的接地正確接地是提高控制系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段。變頻器應分別和大地相連，不允許一臺變頻器的接地端和另一臺變頻器的接地端相聯(lián)接后再接地，也不允許與動力設備接地點共地。接地線應短而粗，接地電阻值越小越好。

4)防止電磁波干擾變頻器在工作中由于整流和變頻產生高次諧波，會引起電網電壓波形的畸變，對周圍的儀表、儀器有一定的干擾，變頻器容量越大，這種影響越嚴重。因此，一些儀表、電子系統(tǒng)，PLC等應盡量避免與變頻器同裝在一個柜體內，控制電路應用變壓器進行隔離，電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽電纜，屏蔽層應可靠接地。

5)變頻器的防雷變頻器中一般都設有雷電吸收網絡，主要防止瞬間的雷電侵入，使變頻器損壞。

但在實際工作中，單靠變頻器的吸收網絡是不能滿足要求的，在雷電活躍地區(qū)這一問題尤為重要。水電站的起重設備大多是移動設備，電源是通過電纜引入的，應做好線路上的防雷防浪涌保護，在電源進線端加裝一只三相電涌保護器基本上能夠解決雷擊問題。

6 結語

變頻調速系統(tǒng)的設計，應以負載的機械特性為主要設計參數(shù)，保證系統(tǒng)的動靜態(tài)指標良好，合理選擇變頻器，并解決變頻調速系統(tǒng)設計中的實際問題，才能使所設計的變頻調速系統(tǒng)具有高的靜動態(tài)指標和良好的性能價格比。