摘要：本文在簡(jiǎn)介變頻器效率、變頻器容量的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況、電動(dòng)機(jī)在頻繁加減速工況及一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)變頻器容量的優(yōu)化選擇方法。

關(guān)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(diào)頻范圍受到限制，應(yīng)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(xiàng)損耗是隨著變頻器的容量、負(fù)荷、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而變化的，而控制回路損耗不隨變頻器容量、負(fù)荷而變化。變頻器采用大功率自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件等現(xiàn)代電力電子技術(shù)，其整流損耗、逆變損耗等都比采用傳統(tǒng)電子技術(shù)的損耗小，變頻器在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，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(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

①變頻器功率值與電動(dòng)機(jī)功率值相匹配時(shí)最合適，以使變頻器在高的效率值下運(yùn)行。

②在變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率，并應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。

③當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載啟動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級(jí)的變頻器，以利用變頻器長(zhǎng)期、安全地運(yùn)行。

④經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確實(shí)有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器，但要注意電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)峰值電流是否會(huì)造成變頻器過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作。

當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí)，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。

2  變頻器容量

變頻器的容量可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。不管是哪一種表示方法，歸根到底還是對(duì)變頻器額定電流的選擇，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)電動(dòng)機(jī)有可能向變頻器吸收的電流來(lái)決定。

選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過(guò)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(yīng)仔細(xì)了解生產(chǎn)工藝設(shè)備的情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保證在無(wú)故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過(guò)變頻器的額定電流。通常變頻器的過(guò)載能力有兩種：

①1.2倍的額定電流，可持續(xù)1min。

②1.5倍的額定電流，可持續(xù)1min。

變頻器的允許過(guò)電流與過(guò)載時(shí)間呈反時(shí)限的關(guān)系。如1.2(1.5)倍的額定電流可持續(xù)1min；而1.8(2.0)倍的額定電流，可持續(xù)0.5min。這就意味著不論任何時(shí)候變頻器向電動(dòng)機(jī)提供的電流在1min（或0.5min）時(shí)間內(nèi)限制在允許范圍內(nèi)。過(guò)載能力這個(gè)指標(biāo)，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，只有在啟動(dòng)（加速）過(guò)程中才有意義，在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際上等同于不允許過(guò)載。

變頻器的額定功率指的是它適用的4極交流異步電動(dòng)機(jī)的功率，由于同容量電動(dòng)機(jī)，其極數(shù)不同，電動(dòng)機(jī)額定電流不同。隨著電動(dòng)機(jī)極數(shù)的增多，電動(dòng)機(jī)額定電流增大。變頻器的容量選擇不能以電動(dòng)機(jī)額定功率為依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于原來(lái)未采用變頻器的改造項(xiàng)目，變頻器的容量選擇也不能以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)。因?yàn)?，電?dòng)機(jī)的容量選擇要考慮最大負(fù)荷、富裕系數(shù)、電動(dòng)機(jī)規(guī)格等因素，往往電動(dòng)機(jī)的容量富裕量較大，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)常常在50%～60%額定負(fù)荷下運(yùn)行。若以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)來(lái)選擇變頻器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，而可靠性并沒(méi)有因此得到提高。

變頻器與電動(dòng)機(jī)的匹配主要還是電動(dòng)機(jī)的額定電壓及額定電流，如果電動(dòng)機(jī)額定電流小于同功率的變頻器的額定電流，一般來(lái)說(shuō)用同等功率的就足夠了，如果電動(dòng)機(jī)額定電流大于同功率的變頻器的額定電流，只好用大一級(jí)的變頻器。另外：如果負(fù)載較重且啟動(dòng)頻繁要考慮變頻器容量放大一級(jí)，如用于高原或電動(dòng)機(jī)接線太長(zhǎng)要考慮變頻器的輸出能力，可能也要放大一級(jí)，并要采取相應(yīng)的措施。

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，變頻器的容量選擇應(yīng)以變頻器的額定電流大于或等于電動(dòng)機(jī)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(jié)約資金。對(duì)于重載啟動(dòng)、高溫環(huán)境、繞線式異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)等條件下，變頻調(diào)速器的容量應(yīng)適當(dāng)加大。

3  變頻器容量的優(yōu)化選擇方法

變頻器容量的選擇是一個(gè)重要且復(fù)雜的問(wèn)題，要考慮變頻器容量與電動(dòng)機(jī)容量的匹配，容量偏小會(huì)影響電動(dòng)機(jī)有效力矩的輸出，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至損壞裝置，而容量偏大則電流的諧波分量會(huì)增大，也增加了設(shè)備投資。變頻器容量選擇可分以下三步：

①了解負(fù)載性質(zhì)和變化規(guī)律，計(jì)算出負(fù)載電流的大小或作出負(fù)載電流圖。

②預(yù)選變頻器容量。

③校驗(yàn)預(yù)選變頻器。必要時(shí)進(jìn)行過(guò)載能力和啟動(dòng)能力的校驗(yàn)。若都通過(guò)，則預(yù)選的變頻器容量便選定了；否則從②開(kāi)始重新進(jìn)行，直到通過(guò)為止。

在滿足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下，變頻器容量越小越經(jīng)濟(jì)。在選型前，首先要根據(jù)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速(最高、最低)和轉(zhuǎn)矩(啟動(dòng)、連續(xù)及過(guò)載)的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率(即電動(dòng)機(jī)的額定功率最小值)。

P=n.×T/9950(kW)

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

然后，選擇電動(dòng)機(jī)的極數(shù)和額定功率。電動(dòng)機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個(gè)調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費(fèi)，可允許電動(dòng)機(jī)短時(shí)超出同步速度，但必須小于電動(dòng)機(jī)允許的最高速度。轉(zhuǎn)矩應(yīng)取設(shè)備在啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行、過(guò)載或最高速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電動(dòng)機(jī)的功率和額定電流確定變頻器的參數(shù)與型號(hào)。需注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對(duì)一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40℃或25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，在變頻器參數(shù)、型號(hào)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(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡(jiǎn)便的方法有三種：

①電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確定法。首先測(cè)定電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率，以此來(lái)選用變頻器的容量。

②公式法。設(shè)安全系數(shù)，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(dòng)機(jī)負(fù)載；PW為電動(dòng)機(jī)功率，cosφ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)。

計(jì)算出Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄選具體規(guī)格。當(dāng)一臺(tái)變頻器用于多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)滿足至少要考慮一臺(tái)最大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的影響，以避免變頻器過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

③電動(dòng)機(jī)額定電流法。對(duì)于輕負(fù)載類，變頻器額定電流一般應(yīng)按1.1IN（IN為電動(dòng)機(jī)額定電流）來(lái)選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標(biāo)明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電動(dòng)機(jī)功率來(lái)選擇。

（1）電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量的計(jì)算

由于變頻器輸出給電動(dòng)機(jī)的是脈沖電流，其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊４藭r(shí)，變頻器應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：

式中：PM為電動(dòng)機(jī)輸出功率；η為效率(取0.85)；cossφ為功率因數(shù)(取0.75)；UM為電壓(V)、IM為電流(A)；K為電流波形的修正系數(shù)(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(dòng)機(jī)由低頻低壓?jiǎn)?dòng)或由軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，變頻器只用來(lái)完成變頻調(diào)速時(shí)，要求變頻器的額定電流稍大于電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)額定電流。

電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率直接啟動(dòng)時(shí)，對(duì)三相電動(dòng)機(jī)而言，由電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)可知，啟動(dòng)電流是額定電流的5～7倍。因而得用下式來(lái)計(jì)算變頻器的頻定電流。

IFN≥Imst/KFg

式中：Imst為電動(dòng)機(jī)在額定電壓，額定頻率時(shí)的啟動(dòng)電流。KFg為變頻器的過(guò)載倍數(shù)

（2）電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)變頻器容量的選擇

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

很多情況下電動(dòng)機(jī)的負(fù)載具有周期性變化的特點(diǎn)，在此情況下，按最小負(fù)載選擇變頻器的容量，將出現(xiàn)過(guò)載，而按最大負(fù)載選擇，將是不經(jīng)濟(jì)的。由此推知，變頻器的容量可在最大負(fù)載與最小負(fù)載之間適當(dāng)選擇，以便變頻器得到充分利用而又不過(guò)載。

首先作出電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流圖，然后求出平均負(fù)載電流Iav再預(yù)選變頻器的容量，Iav的計(jì)算的公式如下：

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

式中，Ij為第j段運(yùn)行狀態(tài)下的平均電流，tj為第j段運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

考慮到過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)從變頻器吸收的電流要比穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)大，而上述Iav沒(méi)有反映過(guò)渡過(guò)程中的情況。因此，變頻器的容量按IFN≥（1.1～1.2）Iav修正后預(yù)選。若過(guò)渡過(guò)程在整個(gè)工作過(guò)程中占較大比重，則系數(shù)(1.1～1.2)選偏大的值。

非周期性變化負(fù)載連續(xù)運(yùn)行時(shí)，一般難以作出負(fù)載電流圖，可按電動(dòng)機(jī)在輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流計(jì)算變頻器的額定電流：

IFN≥IM(max)/KFg

式中：IM(max)為電動(dòng)機(jī)在輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流。

也可根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值I1CN選擇變頻器的額定電流，I1CN的計(jì)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(yùn)行狀態(tài)平均電流(A)；t1、t2、…tn為各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間；K0為安全系數(shù)(運(yùn)行頻繁時(shí)取1.2，其它條件下為1.1)。

在計(jì)算出負(fù)載電流后，還應(yīng)考慮三個(gè)方面的因素：

①用變頻器供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流的脈動(dòng)相對(duì)工頻供電時(shí)要大些；

②電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求。即是由低頻低壓?jiǎn)?dòng)，還是額定電壓、額定頻率直接啟動(dòng)。

③變頻器使用說(shuō)明書中的相關(guān)數(shù)據(jù)是用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)測(cè)試出來(lái)的，要注意按常規(guī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)在性能上可能有一定差異，故計(jì)算變頻器的容量時(shí)要留適當(dāng)余量。

在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)（加速）的過(guò)程中電動(dòng)機(jī)不僅要負(fù)擔(dān)穩(wěn)速運(yùn)行的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，還要負(fù)擔(dān)加速轉(zhuǎn)矩，如果生產(chǎn)機(jī)械對(duì)啟動(dòng)（加速）時(shí)間無(wú)特殊要求，可適當(dāng)延長(zhǎng)啟動(dòng)（加速）時(shí)間來(lái)避讓峰值電流。若生產(chǎn)機(jī)械對(duì)啟動(dòng)（加速）時(shí)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(guò)程時(shí)間呈反時(shí)限關(guān)系。如果電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)（加速）時(shí)，其電流小于變頻器的過(guò)載能力，則預(yù)選容量通過(guò)，如果電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)（加速）時(shí)，其電流已達(dá)到變頻器的過(guò)載能力，而要求的加速時(shí)間又與變頻器過(guò)載能力規(guī)定的時(shí)限發(fā)生沖突，這時(shí)，變頻器的容量應(yīng)在預(yù)選容量的基礎(chǔ)上增容。

（3）一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)變頻器容量的選擇

用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于已有幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后，再啟動(dòng)其他電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，此時(shí)變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)將產(chǎn)生大的啟動(dòng)電流，因此，變頻器容量與同時(shí)啟動(dòng)時(shí)相比需要大些。以變頻器短時(shí)過(guò)載能力為150％/1min為例計(jì)算變頻器的容量，此時(shí)若電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間在1min內(nèi)，則應(yīng)滿足以下兩式：

若電動(dòng)機(jī)加速在1mn以上時(shí)，則應(yīng)滿足以下兩式：

式中：nT為并聯(lián)電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)；nS為同時(shí)啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)；PCN1為連續(xù)容量(kVA)；PCN1=KPMnT/ηcosφ；PM為電動(dòng)機(jī)輸出功率；η為電動(dòng)機(jī)的效率(約取0.85)；cosφ為電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)(常取0.75)；Ks為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流/電動(dòng)機(jī)額定電流；IM為電動(dòng)機(jī)額定電流；K為電流波形正系數(shù)(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(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，但其中可能有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)隨時(shí)投入運(yùn)行或隨時(shí)退出運(yùn)行。此時(shí)變頻器的額定輸出電流可按下式計(jì)算：

式中：IICN為變頻器額定輸出電流(A)；IMN為電動(dòng)機(jī)額定輸入電流(A)；IMQ為最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流(A)；K為安全系數(shù)，一般取1.05～1.10；J為余下的電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)。

一臺(tái)變頻器同時(shí)供多臺(tái)電動(dòng)機(jī)使用，除了要考慮一拖一的幾種情形外，還可以根據(jù)以下二種情況區(qū)別對(duì)待。

①各臺(tái)電動(dòng)機(jī)均由低頻低壓?jiǎn)?dòng)，在正常運(yùn)行后不要求其中某臺(tái)因故障停機(jī)的電動(dòng)機(jī)重新直接啟動(dòng)，這時(shí)變頻器容量可按下式計(jì)算：

IFN≥IM(max)+ΣIMN

式中：ΣIMN為其余各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流之和，IMst(max)為最大電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。

②一部分電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，另一部分電動(dòng)機(jī)由低頻低壓?jiǎn)?dòng)。除了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的總電流不超過(guò)變頻器的額定輸出電流之外，還要考慮所有直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，即

IFN≥(ΣIMst'+ΣIMN')/KFg

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

4  結(jié)束語(yǔ)

變頻器容量的優(yōu)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(jié)省資金。并要根據(jù)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)、負(fù)載特性及具體工況的要求選擇變頻器的容量，在選擇時(shí)應(yīng)以實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電動(dòng)機(jī)的額定功率只能作為參考，以使設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高的性價(jià)比，高的動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)，以利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而達(dá)到較高的節(jié)能效果。