不少国家或地区都有变频器负载的标准,我国与国际电工委员会 (IEC) 也有相应标准。例如,将变频器的工作制等级或运行种类分为6级: 第1级为100%额定输出电流,没有过负载的可能性。第2级允许输出基本负载电流,并在此基础上可有150%的短时过负载运行。要注意,由于有了此短时的150%过负载,故较长时间的基本负载就只有额定输出电流的91%,150%过负载是对基本负载电流而言的,对额定电流而言则相对值=150%×91%=136%。第3～6级则过负载更大或时间更长。目前市售产品标准型或通用型一般只涉及第2级。
变频器为什么必须有负载工作制种类和等级的国家标准,而变压器却没有、通用电动机却没有?这是因为后者的发热时间常数大,如常用电力变压器是以小时计,短时过负载不致于使温升超过允许值,即使温升短时稍微超过,也不会使其寿命立即终止和退出运行; 但半导体器件及其装置的时间常数小,通常以分钟计,而且过负载超温对半导体器件的后果比较严重,所以通常都为半导体电力电子装置规定了严格的负载条件,即基本负载电流、过负载电流及持续时间和频度 (允许过流再现的间隔时间),在完全没有过负载可能的条件下,输出电流称为额定输出电流。根据上述分析,变频器产品应该有符合有关国家标准的负载定额。
从变频器选用的观点出发,需考虑机械负载各种各样性能。如机械转矩有正、负之分,其定义如下: 凡电动机驱动生产机械即电动机输出机械功时转矩为正,绝大多数场合都是这种情况; 反之则为负,即生产机械对电动机作功 (机械能转换成电能),如电动机车下坡行驶,定义为负转矩,这种情况不是大多数机械都有的。速度有正、负之别,则是人为决定的。例如常用转向为正,偶尔用之的反向为负; 如果只有一个方向运行,则可无正负之别。
(一) 机械转矩的时段
机械设备要求转矩的大小方面,可以分成几个时段来讨论。
1.起动转矩
使机械设备从静止状态开始转动的转矩通常都为正,而且一般比维持等速运动所需的转矩要大,例如大多数给料机、物料输送机、混料机、搅拌机等,它可能达到额定转矩的150%～170%,这就要求变频器有大的起动转矩。当然,也有很多通用机械设备的起动转矩<100%,如离心式风机和水泵,可能小至25%。泥浆泵和往复式柱塞泵的起动转矩也可能达到150%～175%。
2.加速转矩
将机械设备从刚开始转动使之加速到额定转速时所需要的转矩,其值为机械静阻转矩与动转矩之和,动转矩则和其飞轮转矩GD2以及要求的加速度大小成正比。
一般风机、水泵的加速转矩不大,可以不超过100%。但也有一些特殊情况,如大功率风机GD2很大,加速困难; 离心式水泵开阀门时加速转矩可达到100%,而其他型式的泵可能达到150%或更大; 轧钢机等在要求尽量缩短加速时间时,要求加速转矩越大越好,重物下放则可能使加速转矩为负。
3.等速运行中出现的尖峰负载转矩
这是生产工艺中出现的不可避免的正常情况。例如矿石破碎机遇到较大的矿块时,电动机需输出大的功率 (电流) 以帮助破碎。正因为这是正常情况,所以不能使电动机过流跳闸,这就要求变频器输出大的电流。这种尖峰负载出现的频度事先很难估计。等速运行时的速度可以是额定速度,也可以是很低的爬行速度,如载人索道在车厢接近站台时,就是以很低的爬行速度运行的。如果是重车厢上坡,则可能过负载,这就要求变频器在低速下输出大的电流。如果是重车厢下坡爬行,则为负转矩。
4.减速转矩
大多数情况下,断开电动机电流就能减速停车,只是在对减速有严格要求的场合才需要电动机输出或输入能量,输出的能量或消耗的电阻中,或反馈给电网,这要根据反馈能量和频度的大小来决定。在重物下放且要求大的减速时,会出现大的减速转矩而且是负的。当然,要求正转矩减速的场合也是有的。
(二) 变频器的定额
市场上变频器品种规格很多,本文仅限于讨论从欧美进口且是低压的 (变频器的功率输入与输出端均为低压) 产品,变频器的速度调节性能比较见附表。
(1) 美国AB公司的1336PLUSI Ⅰ型 (无速度传感器矢量控制的标准型) 变频器输出定额举例如下。
1) 电网电压: 380～480V;
2) 恒转矩输出电流: 75A;
3) 变转矩输出电流: 77A;
4) 周期性过负载能力: 变转矩115%、1min; 恒转矩150%、1min。
(2) 瑞士ABB公司对ACS-600系列产品的规定如下。
1)泵类、风机应用 (平方转矩负载),无过载能力,额定输出电流有效值为I2Nsq;
2)一般应用,10%过载能力,额定输出电流有效值为I2N;I2Nmax＝1.1×I2N,每10min允许过载1min;
3) 重载应用,50%或100%过载; 额定输出电流有效值为I2hd。
I2hdmax＝1.5×I2hb,每10min允许过载1min或2.0×I2hb,每15s允许过载2s。
三种电流的关系如下:I2hsq>I2N>I2hb。
(3) 德国西门子公司对其标准系列FC (频率控制)、VC (矢量控制) 规定如下 (按欧洲标准EN60146-1-1,负载等级为第1级)。
1) 额定输出电流IUN,无过载可能,适用于风机、水泵。
2) 基本负载电流IB＝0.9×IUN,短时电流=1.36×IUN,每5min允许过载1min,适用于恒转矩的一般负载。
上述三种产品定额中,AB公司变频器变转矩115%、1min、115%只超负荷15% (这在工程应用上其过载能力不明显),而且没有规定过负载的频度,恒转矩150%、1min,也没有过负载的频度; ABB公司和西门子公司产品规定明确,看来是根据欧洲标准中有关产品的输出定额制定的。
表1-5-1 部分变频器定额参数
| 变频器型号 | 美国AB公司1336FORCE型 | 德国西门子公司 SIMOVERT MASTERDRIVE型 | 瑞士ABB公司ACS-600型 | ||||
| 控制原理与方式 | 矢量控制 速度开环 | 矢量控制 编码反馈 | 矢量控制 速度开环 | 矢量控制 编码反馈 | DTC速度 开环 | DTC编码 反馈 | |
| 转矩阶跃时间 | 约5ms | 约5ms | <5ms | <5ms | |||
| 静态速度误差 | 1%(n*＝100%)(1) | 0.001% (n*＝100%)(1) | ≤0.3% | 0.0005% (n*>10%) 0.001% (n*<5%) | ±(0.1%～0.5%) | ±0.01% | |
| 动态速度误差 | 0.4%s | 0.1%s | |||||
| 转矩波动 | <2% | <2% | |||||
| 转矩精度 | 恒磁 | ±5%(2) | <2.5%(n*>5%) | <2.5%(n*>1%) | ±1%(3) | ±1%(3) | |
| 弱磁 | <5% | <5% | |||||
| 转矩线性度 | 1% | <1%(4) | ±4% | ±3% | |||
注 (1) 1336FORCE型是AB公司适用于四象限传动的高性能产品,实际上提供的数据是速度调整率: 带编码器则最大速度的0.001%在100:1速比内,开环则最大速度的1%在40:1速比内。n*＝ (n/nN)×100%,其中n为实际转速,nN为额定转速。(2) AB公司实际上提供的数据是转矩调整率为电动机额定转矩的5%。(3) ABB公司提供的是转矩重复性误差。(4) 在转矩调节时的值。
(三) 根据机械负载选择变频器
1.变转矩负载
在泵类、风机上又称为平方转矩负载,实际上,转矩是近似地与速度平方成正比。如果产品输出定额一点过负载能力都没有,则负载仅限于离心式水泵、风机。对其他型式的泵和风机要分析其实际过负载的可能性,在确认没有过负载可能的前提下,当变频器产品输出电压为380V时, 产品数据标出的电动机功率P=
×0.38×IN×cos(式中IN为额定输出电流),可以用来选择变频器的规格。为确保运行可靠,变频器的电流限幅也应该在100%。如AB公司的1336PLUSI Ⅰ型有15%、1min的过载能力,由于没有规定频度,估计在起动和加速时可以利用,电流限幅也可以放宽到115%。特别是GD2比较大的离心式风机有可能要求较大的加速转矩,因而使电流确实达到115%、1min。离心式水泵、风机在低速时功率小,要求的调速范围不大,故对变频器的性能要求不高。
2.恒转矩负载
可理解为阻转矩与转速无关,而在实际运行负载中,因受许多条件影响,“恒定” 是少见的。对确定变频器输出定额而言,要考虑的是机械设备在整个运行时间内包括起动、加减速及等速运行时的负载大小以及过负载多少、持续时间与频度。如果过负载大小和持续时间及频度超过产品相应的允许值,则应按尖峰电流并考虑富裕系数来选择装置的额定输出电流; 如果负载不是特别重,则应该充分利用变频器的过负载能力。既做到这一点,又不至于在过负载运行时使装置过热,这就是设计选型者的任务。某些制造厂如ABB公司还备有确定装置定额的软件,只要用户提出明确的负载图,就可以确定装置的输出定额,即订货号。目前,变频器市场上出现按电动机功率选择恒转矩条件下的变频器定额只适用于完全没有过负载可能或只在起动时有少许过流 (过负载) 的场合,不符合这些条件则是不严格的,有时是危险的,因而也是错误的。
(四) 恒转矩下的调速和转速范围
1.调速范围
调速范围是生产工艺要求所确定的,在最低速度下要求的力矩大小则是最关键的。这不但决定于变频器的性能,同时也决定于电动机的低频下的机械特性,即低速稳定旋转下能够产生的最大转矩。用户若有要求,电动机制造厂应提供变频调速电动机的转矩速度特性曲线或数据。为了使电动机在各种速度下的输出转矩能够大于生产机械所要求的,还要求变频器能够提供一个合适的接近理想的变频电源,即在不同频率下有大小合适的电压和足够的电流输出能力而不会使变频器过热。只有变频器和电动机合成一个变频调速系统,且两者均符合要求才能获得低速下的大转矩。ABB公司对ACS600产品提供了系统的转矩对频率的特性曲线,电动机性能则应符合IEC34标准。至于哪些机械对低速下的转矩有特殊要求,用户或工程设计者应认真分析和对待。有人认为牵引传动对调速范围要求不高,和风机、水泵同属一类,这是不符合事实的。牵引负载分为轻型、中等和重型牵引三类,就是轻型牵引也有150%过载运行2min和200%过载运行10s的要求,这和水泵、风机是大不相同的。
2.转速范围
转速精度和调速范围有密切关系。转速精度太差的产品在速度最低时就可能停止转动。用户有特殊的要求时,应该分析产品的技术数据。