摘要：本文結(jié)合我司GD5000系列四象限高壓變頻器在山東某公司電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)上的應(yīng)用情況，闡述了我司兩象限和四象限變頻器在大功率同步電機(jī)上的應(yīng)用特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)四象限參數(shù)自學(xué)習(xí)矢量控制懸停功能高壓變頻器
一、引言
該公司是一個(gè)皮帶機(jī)生產(chǎn)為主的企業(yè)，其依靠山東礦大的學(xué)術(shù)環(huán)境以及技術(shù)氛圍，在皮帶機(jī)、傳輸機(jī)方面有著不錯(cuò)的建樹。近期開始進(jìn)軍高極對(duì)數(shù)的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，特別是在高壓永磁同步電機(jī)方面，目前已經(jīng)成功完成10KV 30對(duì)極的永磁同步電機(jī)項(xiàng)目，主要應(yīng)用在皮帶機(jī)上可以直接驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)，省掉皮帶機(jī)的變速箱，從而節(jié)省體積。
本文主要結(jié)合深圳英威騰高壓變頻器在其加載系統(tǒng)上的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)高壓變頻器在永磁同步電機(jī)上的應(yīng)用特點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
二、項(xiàng)目介紹
該公司為了測(cè)試電機(jī)以及變頻器，做了一個(gè)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái);并且購(gòu)買了我司兩臺(tái)高壓變頻器，一臺(tái)是兩象限高壓變頻器GD5000-B2240-10-S，一臺(tái)是四象限高壓變頻器GD5000-B2500-10-SR。用我司的高壓變頻器做加載用。其主回路方案如下：
基本試驗(yàn)原理如下：
QF1合閘，電網(wǎng)電源經(jīng)10KV母線提供試驗(yàn)電源，兩象限變頻器給拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1供電，其同軸聯(lián)接的電機(jī)M2經(jīng)四象限站用變頻器聯(lián)接至電網(wǎng)。負(fù)載電機(jī)M2及四象限站用變頻器采用成熟的技術(shù)，具備預(yù)置轉(zhuǎn)矩功能。聯(lián)接試驗(yàn)系統(tǒng)中的電氣線路保證電能流向可逆，以滿足今后被試變頻器的四象限運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)回路如下：
供電電源10KV母線→兩象限變頻器→輸出開關(guān)柜→M1→M2→輸出開關(guān)柜→四象限限變頻器→回饋10KV母線，此時(shí)系統(tǒng)由電網(wǎng)吸取能量?jī)H為所有參與、被試設(shè)備的損耗。
三、變頻器應(yīng)用情況
1. 調(diào)試項(xiàng)目
1) 參數(shù)自學(xué)習(xí)。
說(shuō)明：此項(xiàng)目是為了測(cè)試電機(jī)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)值是否相符和，針對(duì)對(duì)象為電機(jī)。
2) 空載測(cè)試。
3) 采用盤式制動(dòng)器加載測(cè)試。
說(shuō)明：此項(xiàng)目模擬的是變頻器重載啟動(dòng)，主要測(cè)試變頻器的重載啟動(dòng)能力。
4) 采用四象限變頻器加載測(cè)試。
說(shuō)明：此項(xiàng)目主要測(cè)試變頻器的轉(zhuǎn)矩控制性能、變頻器的過(guò)載能力、電機(jī)的過(guò)載能力、溫升。
5) 測(cè)試不同頻率下電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩特性曲線。
說(shuō)明：此項(xiàng)目主要針對(duì)電機(jī)的項(xiàng)目。
6) 測(cè)試電機(jī)的弱磁能力、變頻器的弱磁控制能力。
2. 實(shí)驗(yàn)情況
2.1 概述
同步電機(jī)分為電勵(lì)磁和永磁，按照磁極分類：隱極式和凸極式。隱極式電機(jī)交軸電感等于直軸電感，多試用于高速同步發(fā)電機(jī);凸極式電機(jī)交軸電感不等于直軸電感(對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，一般是交軸電感大于直軸電感，對(duì)于電勵(lì)磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，一般是直軸電感大于交軸電感)，多用于低速發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。
電機(jī)有正常工作狀態(tài)和弱磁狀態(tài)，電機(jī)一旦進(jìn)入弱磁狀態(tài)變頻器輸出電壓不再改變，一般為電機(jī)額定電壓。而電機(jī)電流增大，超過(guò)額定電流，速度增大時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩減小，電機(jī)功率為恒功率，所以有人把弱磁調(diào)速又叫做恒功率調(diào)速。
弱磁狀態(tài)最直接的現(xiàn)象是電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)高于變頻器輸出的電壓。電機(jī)進(jìn)入弱磁后，變頻器必須也要進(jìn)入弱磁控制狀態(tài)，即通過(guò)對(duì)電機(jī)的Id和Iq進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制Id<0,使q軸上的感生電勢(shì)變小，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行，一般適用于基頻以上的恒功率調(diào)速。
2.2 實(shí)驗(yàn)步驟
永磁同步電機(jī)的調(diào)試步驟分為參數(shù)自學(xué)習(xí)、尋找磁極位置、啟動(dòng)三大步：
2.2.1 參數(shù)自學(xué)習(xí)
對(duì)于同步電機(jī)，首先要進(jìn)行參數(shù)自學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的內(nèi)容有定子電阻、定子交軸電感(或稱q軸)、直軸電感(或稱d軸)、反電動(dòng)勢(shì)。參數(shù)自學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到變頻器的輸出電壓是否準(zhǔn)確。
原理： 其中，Id和Iq為變頻器實(shí)際可以控制的量，Xd、Xq為電機(jī)的直軸、交軸電感，為電機(jī)固有參數(shù)。U為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，ra為電機(jī)的定子繞組。
自學(xué)習(xí)方法：動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)方式。
現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)自學(xué)習(xí)的結(jié)果比較：
4.2.2 控制方式
同步電機(jī)的控制方式有V/F控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制。
首先，不管采用哪種控制方式，變頻都必須先找電機(jī)的初始磁極位置，具體方法：變頻器發(fā)一串脈沖群到電機(jī)定子繞組，推算出轉(zhuǎn)子磁極位置和方向。磁極位置和方向找不準(zhǔn)的直接影響為：在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)會(huì)先反轉(zhuǎn)一定的角度，然后在正轉(zhuǎn)。此種情況在負(fù)載比較特殊的場(chǎng)合是不允許的，如在礦井提升機(jī)、皮帶機(jī)上，若沒有止逆裝置，電機(jī)反轉(zhuǎn)很有可能出現(xiàn)溜溝現(xiàn)象。
采用V/F控制時(shí)，需使用多點(diǎn)V/F功能，根據(jù)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的情況調(diào)節(jié)V/F曲線，使變頻器在每個(gè)頻率段都能輸出準(zhǔn)確的電壓。
采用V/F控制方式場(chǎng)合：對(duì)于啟動(dòng)力矩?zé)o特殊要求的場(chǎng)合，V/F模式啟動(dòng)力矩比較小，控制精度不高，在啟動(dòng)時(shí)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，在啟動(dòng)成功后，若負(fù)載發(fā)生突變，則容易出現(xiàn)電機(jī)失步現(xiàn)象。變頻器輸出電壓太高，電機(jī)容易出現(xiàn)失調(diào)，變頻器輸出電壓太低，則變頻器容易報(bào)故障。
采用開環(huán)矢量控制場(chǎng)合：對(duì)于啟動(dòng)力矩有一定要求的場(chǎng)合，我們公司采用開環(huán)矢量控制時(shí)，可以做到3Hz時(shí)滿轉(zhuǎn)矩輸出。
采用開環(huán)矢量控制時(shí)，負(fù)載的突變也可能導(dǎo)致電機(jī)失步或者是輸出力矩達(dá)不到要求。此時(shí)需要調(diào)節(jié)速度環(huán)和電流環(huán)參數(shù)。速度環(huán)參數(shù)是調(diào)節(jié)速度響應(yīng)時(shí)間的參數(shù)，與系統(tǒng)的慣性有密切的聯(lián)系，參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確容易引起系統(tǒng)震蕩，電流環(huán)是調(diào)節(jié)變頻器輸出力矩的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)都是經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)負(fù)載的不同、電機(jī)功率的不同，需進(jìn)行多次試驗(yàn)選取一個(gè)最佳值。
采用閉環(huán)矢量控制場(chǎng)合：對(duì)于啟動(dòng)力矩有比較苛刻的要求的場(chǎng)合，如需要0頻力矩保持功能(又稱懸停功能)。采用閉環(huán)矢量控制時(shí)所有的電機(jī)參數(shù)如轉(zhuǎn)速、位置信號(hào)都由編碼器來(lái)采集和傳輸，所以變頻器無(wú)需參數(shù)自學(xué)習(xí)。目前我司編碼器支持UVW編碼器和正余弦編碼器，使用編碼器時(shí)，編碼器的信號(hào)線傳輸至變頻器的距離不能超過(guò)20米。
四、采用英威騰高壓變頻器的優(yōu)點(diǎn)
1、可以準(zhǔn)確檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，保證啟動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失步狀態(tài)。
2、 穩(wěn)定輸出指定頻率和電壓，根據(jù)不同工藝情況快速進(jìn)入同步狀態(tài)
3、通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)，可以控制裝置的輸出電壓和電網(wǎng)電壓在指定范圍內(nèi)(相位差<0.1°，頻差<0.01hz，幅值差<150V)
4、裝置通過(guò)系統(tǒng)保護(hù)和硬件電路保護(hù)能很好的保護(hù)整個(gè)裝置起動(dòng)中的各種風(fēng)險(xiǎn)，能及時(shí)分?jǐn)喔邏海⒈Ｗo(hù)裝置器件以及同步電機(jī)。
五、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片
圖1 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)拖電機(jī)
圖2 現(xiàn)場(chǎng)變頻器
六、結(jié)束語(yǔ)
永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今社會(huì)的低碳電機(jī)，已越來(lái)越引起人們重視，由于同步電機(jī)的運(yùn)行特性和其控制技術(shù)日趨成熟，異步電動(dòng)機(jī)正逐步被永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所取代。隨著同步電機(jī)的大量應(yīng)用，對(duì)變頻調(diào)速的控制功能和性能也將有更高的要求。通過(guò)本項(xiàng)目證明，英威騰GD5000系列高壓變頻器能很好的滿足生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)要求外，還能提高整個(gè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，大大提高能源利用率。
參考文獻(xiàn)：
【1】《GD5000系列高壓變頻器產(chǎn)品說(shuō)明書》深圳市英威騰電氣股份有限公司
【2】陳榮《永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)》中國(guó)水利水電出版社2009-01出版
（轉(zhuǎn)載）
