风机测试中变频电源的研究和变频电源的正确选用

风机测试中变频电源的研究

1 引言

　　在实验室采用变频器调节时，给测试带来了极大的困难，振动增大、电磁噪音增大、温升提高、测试仪表无法正常工作等问题凸显，因此，能提供纯净正弦波输出的变频电源就成为实验室不可缺少的设备。

　　2 变频器的应用

　　变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。

　　同时，风机、泵在使用变频调速后，可以控制电机的启动电流，降低电力线路电压波动，启动时需要的功率更低，具有可控的加速功能、运行速度和转矩极限，具备减速停车、自由停车、减速停车+直流制动等受控的停止方式，能大幅降低能耗，节约了齿轮箱等机械传动部件。

　　3 变频器在实验室应用时带来的问题

变频电源的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频电源，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，然后决定选用何种控制方式和防护结构的变频电源最合适。所谓合用是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频电源应用的最佳性价比。  

第一点.根据负载特性选取适当控制方式的变频电源

现在市场上出售的变频电源种类繁多，功能也日益强大，变频电源的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频电源本身制造工艺的“先天”条件外，对变频电源采用什么样的控制方式也是非常重要的。下表综述了近年来各种变频电源控制方式的性能特点。

综上所述，异步电动机变频控制选用不同的控制方法，就可以得到不同性能特点的调速特性。

第二点.根据安装环境选取变频电源的防护结构

变频电源的防护结构要与其安装环境相适应，这就要考虑环境温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与变频电源能否长期、安全、可靠运行关系重大。大多数变频电源厂商可提供以下几种常用的防护结构供用户选用：

（1）开放型IP00，它从正面保护人体不能触摸到变频电源内部的带电部分，适用于安装在电控柜内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频电源集中使用较好，但它对安装环境要求较高。

（2）封闭型IP20、IP21，这种防护结构的变频电源四周都有外罩，可在建筑物内的墙上壁挂式安装，它适用于大多数的室内安装环境。

（3）密封型IP40、IP42，它适用于工业现场环境条件较差的场合。

（4）密闭型IP54、IP55，它具有防尘、防水的防护结构，适用于工业现场环境条件差，有水淋、粉尘及一定腐蚀性气体的场合。

第三点.机械设备的负载转矩特性

人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和流体类负载。

1 恒转矩负载

在这类负载中，负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。

变频电源拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下长时稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。

2 恒功率负载

这类负载的特点是需求转矩TL与转速n大体成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。

负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频电源的容量均最小。

3 流体类负载

这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。

流体类负载通过变频电源调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。

　　随着出口产品的增长，世界各地电压等级、频率各异，其它国家和地区的工频以60hz居多，电压又有400v、415v的区别，由于对变频器技术的相关知识掌握得较少，对变频器电气特性的测定方法掌握得不够全面，开始我们采用变频器提供所需的60hz电源，在测试过程中发现了诸多问题：

　　(1)风机转速和电压变化。输出60hz电源时，电机转速并不是50hz时的1.2倍，将输入侧的电压调整为380v时，输出侧的电压和输入测的电压不同，差异较大。这是因为变频器是采用逆变技术的，通用的变频器都是变频变压(vvvf)，频率发生变化，电压也会成正比发生变化，如图1所示。

　　(2)电机运行电磁噪音增加。变频器输出的是矩形波电压，存在高频分量，因此电机会产生刺耳的高频噪音，该噪音明显大于风机的噪音，给噪音测量带来了难题。

　　(3)电机温升升高。变频器输出电压波形不是正弦波，而是畸形波，在额定扭矩下的电机电流比工频时要多出约10%左右，所以温升比工频时略有提高(低次电流谐波使铜损增大，高次谐波使铁损增大)，给电机温升试验带来不便，使得温升试验结果偏差较大。

　　(4)普通电磁、数字测试仪表失灵。变频器的输入电流和输出电流中都有频率较高的高次谐波成分，高次谐波电流所产生的电磁场具有辐射能力，使其他设备(尤其是通信设备)因接收到电磁波信号而受到干扰，使得电磁式仪表、数字式仪表都不能用来直接测量交流电压和电流，必须采用整流式仪表才能进行较为准确的测量。

　　针对出现的问题，我们和变频器厂家的工程师进行了多次讨论和分析，对变频器的参数进行了合理地调整，通过调整载波频率来减小电磁噪音、降低电机温升，然而，电磁噪音和电机温升在载波频率面前是一对矛盾体，无法达到全部减小甚至消失的效果。

　　4 变频器和变频电源的区别

　　为了解决使用变频器时的噪声、温升、测试等问题，就必须仔细分析变频器的工作原理，尽量将影响降到最低。在学习、分析的过程中，我们发现了更为理想的实验室电源设备-变频电源。下面对比变频器和变频电源的原理及区别，以方便工程技术人员进行合理的选择，在选择变频设备时少走弯路。

　　变频器是可以改变频率和电压的电源。变频器是由交流-直流-交流(调制波)等电路构成的，将电网三相交流电经过三相桥式整流成脉动直流，再通过电解电容和电感滤波成平滑直流，最后通过逆变器，逆变成电压和频率可调的三相交流电。变频器标准叫法为变频调速器。