变频器、电机与负载的匹配问题
概述：
众所周知，变频调速具有可靠性高、调速方便、保护完善和节能约耗等诸多优点，因此在一般调速场合，变频调速已经成了绝大多数用户的第一选择。但是，新技术也会遇到新问题，本文想就我在实际中遇到的变频器、电机与负载的匹配问题分析如下，谨供大家参考。

问题：
我厂生料磨系统有一台φ2.8旋风选粉机，原主轴采用立式直流电机经皮带盘减速后驱动。2000年由于磨机系统改造，产量增加，电机负载能力不足，将其改造成变频调速，当时选用了安川616G5 45kW变频器（恒转矩）和45kW4极立式电机，改造后变频器运行频率约14-17Hz，基本满足要求。
今年年初，因工艺要求，该电机需要提速至约20.8-24.3 Hz，但速度提升至18 Hz，变频器输出电流就达到80以上，一旦提升至19Hz，电机已经超电流，温度也明显上升，系统已经无法正常运转。

方法：
一。如何打破这一瓶颈？将原有传动系统的速比加大1.5到2倍？原有大小皮带盘直径为660、220mm，现场条件并不具备。如何提速，有厂家将其更换成了55kw6极电机和55kw变频器，是否必要？笔者经过认真分析，提出了不同的看法。
以下是我厂相关技术参数：
1、 电机具体技术参数：
型号：Y250M-4 45kW
Pe=45KW，Ue=380V，Ie=84.2A，ne=1440转/分。
2、希望电机转速提升至600-700转/分（20.8-24.3Hz）。
3、变频器运行状况：
频率
Hz转速
转/分电流
A功率
kW
1441460≈11
17.551870-80≈16
18.553280-85≈18
笔者认为：即使在18.5Hz，变频器的输出功率仅为18kW左右，相关的选粉机手册说明，该电机功率与速度关系为：P=kn2.0-2.3 ，在K值一定的情况下，速度即使提升至750转/分（26.04Hz），参照计算所得功率最大也仅在36kW左右，这种情况应当是电机选择不合理所致。
根据电机的功率计算公式：
P=T*n/9550
二。我们算得45kW 4极电机的额定转矩和不同Hz数下的转矩如下：
Te=45*9550/1440=298.4Nm
T14=10*9550/414=230.7Nm
T17.5=15*9550/518=276.5Nm
T19=18*9550/560=306.9Nm
其中 T14 <T17.5 <Te <T19
在750转/分(26Hz)的情况下，转矩要求是多少呢？
同样计算可知：
T26=35*9550/750=445.7Nm
T26=1.49Te
以上计算表明，电机在19Hz左右输出转矩已经小于设备需要的力矩，此时变频器为了维持频率，必然要提高输出电压，这样一来，电机超额定电流不可避免。
除了选择新电机，保证Te /> T26，别无选择。
我筛选了表中下列电机：
型 号额定转速
(转/分)输出力矩
(Nm)注
Y250M-4 55kW1440364.8<T26不符合要求
Y280S-4 75kW1440497.4>T26电机过大
Y280S-6 45kW980438.5<T26力矩相近
Y280M-6 55kW980536.0>T26符合要求
Y250M-8 30kW740387.2<T26不符合要求
Y280S-8 37kW740477.5>T26转速相近
Y280M-8 45kW740580.7>T26转速相近
由表可见，55kW6极、37kW8极和45kW8极三台电机较符合要求，考虑到变频器容量较大，且为保险起见，我们最终选用了45kW 8极电机。经过一段时间运行，发现效果非常理想，在以下是改用8极电机后测定的参数 (带料运转条件下)：

运行频率(Hz)电机转速
(转/分)变频器输出
电流(A)电压(V)功率(kW)
35.0051856.0281.317.0
40.0059259.6320.920.1
50.0074062399.032.3
（以上数据，除电机转速均从变频器上直接读取）

小节：
该电机额定电流为93.2A，现电机最高运行电流仅为额定值的66%，因电流低、速度高，电机的温升大约只有原来的一半左右。现在的运行状况，不论是通过减小速比，将主轴转速提高10%，或者继续增加主轴负载，系统均能提供较大空间。
通过负载特性和电机特性的综合分析计算，我们通过较小的投入挖掘了设备潜力，使得变频器、电机与负载得以良好的匹配，改善了工艺条件。

三。一般来说，具有运行稳定、高效节能、自动化程度高易于操作等优点高性能控制系统的主要构成部分包括变频器、软启动和可编程控制器。然启动器在高性能控制系统中的作用就是使设备开启，停止的过程更为平稳，避免了“水锤” 的效应，进而节省投资，降低成本，并获得设备性能的大幅度提升。在大中型水泵中这一技术具有很大的推广价值。
通常供水设备的控制系统是由变频器、控制器、低压电器及压力传感器组成，可完成对供水压力闭环控制，当供水管网流量变化时，通过调整变频泵的转速和改变投入运行的水泵台数，可达到稳定供水管网出口压力的目的。图1所示是一个典型的恒压变频供水系统框图，此控制系统的控制对象是供水管网出口压力，由压力传感器采集供水管网出口压力信号，将此压力信号与设
　　定压力信号进行比较，其差值进入CPU进行PID运算，运算结果控制变频器的输出频率及输出电压，使水泵转速能随着供水管网压力的波动而不断的变化,从而使管网出口压力稳定。如果管网流量变化大,当只调整变频泵的转速不能满足管网出口压力稳定要求时,则由控制器发出指令，通过改变投入运行的水泵台数来满足稳定管网出口压力要求。在上述过程中,当变频泵达到最高设定转速时，说明管网用水量大,只靠调整变频泵的转速已不能使管网出口压力稳定，在经过一定延时后，如果此泵仍然在最高设定转速运行，控制系统就要启动一台水泵，在水泵容量较大的供水系统中，往往采用一项叫作“循环软启动”的技术，即将变频器带动的正在全速运转的电机交给电网，变频器再带动下一台电机变频启动，目的是减少启动过程中的机械和电气冲击。这项被称为“循环软启动”的技术存在着一个致命弱点，因为在此过程中刚脱离变频器的水泵在惯性作用下高速旋转，电机转子中还有较大的电流，由此电流形成的磁场在电机定子中感应出较高的电压，此电压与电网电压不同频率、不同相位，因而此时不能立即将此电机合到电网上，一般方法是根据电机容量大小，确定一个延时，要等转子电流衰减到一定值以后，才能将此电机合到电网上，然后变频器带动下一台电机运行。如在上述，从变频器脱开的电机要经过一定延时后才能并入电网，对于中型电机此延时大约是1-2秒钟，在此期间，水泵失去了动力，并且水的位能阻止水泵继续旋转，水泵转速下降很快，当此水泵电机并入电网时，电机转速已降的很低，当将此电机并入电网时将产生较大的电气和机械冲击。如果电机从变频到工频切换过程处理不当，会给电网及供水管网造成重大事故，所以许多专家在大中型供水设备中不主张采用这项“循环软启动”技术。变频与工频平稳切换，已成为大中型供水设备中迫切需要解决的问题。
　
为解决以上问题，现采用另一项电力电子产品“软启动”器，它基本原理是改变晶闸管的导通角改变输出电压，使电机在启动和停机过程中，端电压可以按照预先设定的方式逐渐变化，从而使启动和停机过程平稳。如果是启动一台电机，软启动将逐渐增大晶闸管的导通角，使电动机端电压逐渐升高，水泵平稳升速完成启动过程。如果是关闭一台电机，软启动内的晶闸管的导通角将由大逐渐减小，逐渐降低输出电压，使正在运转的电机平稳停机。高性能的软启动及控制系统允许用一台软启动顺序带动多台电机完成软启、软停操作。比如启动1#电机,软启动晶闸管的起始导通角为零,将KM11闭合，然后软启动晶闸管的导通角由小变大，电机端电压逐渐升高到电网电压，
　　一台软启动实现多台电机软启、软停控制主电路图电机可较平稳升??频率，同相位,软启动器的晶闸管完全导通,其输出电压接近电网电压,这样,可将KM21闭合，使软启器旁路,然后KM11断开，软启动退出运行。