摘要：本文結合我司GD5000系列四象限高壓變頻器在山東某公司電機對拖平臺上的應用情況，闡述了我司兩象限和四象限變頻器在大功率同步電機上的應用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機   四象限  參數自學(xué)習  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、傳輸機方面有著(zhù)不錯的建樹(shù)。近期開(kāi)始進(jìn)軍高極對數的永磁同步電機驅動(dòng)領(lǐng)域，特別是在高壓永磁同步電機方面，目前已經(jīng)成功完成10KV 30對極的永磁同步電機項目，主要應用在皮帶機上可以直接驅動(dòng)皮帶機，省掉皮帶機的變速箱，從而節省體積。

本文主要結合深圳英威騰高壓變頻器在其加載系統上的實(shí)際應用情況，對高壓變頻器在永磁同步電機上的應用特點(diǎn)和注意事項進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

二、項目介紹

該公司為了測試電機以及變頻器，做了一個(gè)對拖實(shí)驗平臺；并且購買(mǎi)了我司兩臺高壓變頻器，一臺是兩象限高壓變頻器GD5000-B2240-10-S，一臺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：

基本試驗原理如下：

QF1合閘，電網(wǎng)電源經(jīng)10KV母線(xiàn)提供試驗電源，兩象限變頻器給拖動(dòng)電動(dòng)機M1供電，其同軸聯(lián)接的電機M2經(jīng)四象限站用變頻器聯(lián)接至電網(wǎng)。負載電機M2及四象限站用變頻器采用成熟的技術(shù)，具備預置轉矩功能。聯(lián)接試驗系統中的電氣線(xiàn)路保證電能流向可逆，以滿(mǎn)足今后被試變頻器的四象限運行試驗。試驗回路如下：

供電電源10KV母線(xiàn)→兩象限變頻器→輸出開(kāi)關(guān)柜→M1→M2→輸出開(kāi)關(guān)柜→四象限限變頻器→回饋10KV母線(xiàn)，此時(shí)系統由電網(wǎng)吸取能量?jì)H為所有參與、被試設備的損耗。

三、變頻器應用情況

1. 調試項目

1） 參數自學(xué)習。

說(shuō)明：此項目是為了測試電機生產(chǎn)與設計值是否相符和，針對對象為電機。

2） 空載測試。

3） 采用盤(pán)式制動(dòng)器加載測試。

說(shuō)明：此項目模擬的是變頻器重載啟動(dòng)，主要測試變頻器的重載啟動(dòng)能力。

4） 采用四象限變頻器加載測試。

說(shuō)明：此項目主要測試變頻器的轉矩控制性能、變頻器的過(guò)載能力、電機的過(guò)載能力、溫升。

5） 測試不同頻率下電機的恒轉矩特性曲線(xiàn)。

說(shuō)明：此項目主要針對電機的項目。

6） 測試電機的弱磁能力、變頻器的弱磁控制能力。

2. 實(shí)驗情況

2.1 概述

同 步電機分為電勵磁和永磁，按照磁極分類(lèi)：隱極式和凸極式。隱極式電機交軸電感等于直軸電感，多試用于高速同步發(fā)電機；凸極式電機交軸電感不等于直軸電感 （對于永磁同步電機來(lái)說(shuō)，一般是交軸電感大于直軸電感，對于電勵磁電機來(lái)說(shuō)，一般是直軸電感大于交軸電感），多用于低速發(fā)電機和同步電動(dòng)機。

電機有正常工作狀態(tài)和弱磁狀態(tài)，電機一旦進(jìn)入弱磁狀態(tài)變頻器輸出電壓不再改變，一般為電機額定電壓。而電機電流增大，超過(guò)額定電流，速度增大時(shí)電磁轉矩減小，電機功率為恒功率，所以有人把弱磁調速又叫做恒功率調速。

弱磁狀態(tài)最直接的現象是電機的反電動(dòng)勢高于變頻器輸出的電壓。電機進(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)對電機的Id和Iq進(jìn)行調節，控制Id<0,使q軸上的感生電勢變小，使電機轉速達到額定轉速以上運行，一般適用于基頻以上的恒功率調速。

2.2  實(shí)驗步驟

永磁同步電機的調試步驟分為參數自學(xué)習、尋找磁極位置、啟動(dòng)三大步：

 2.2.1 參數自學(xué)習

 對于同步電機，首先要進(jìn)行參數自學(xué)習，學(xué)習的內容有定子電阻、定子交軸電感（或稱(chēng)q軸）、直軸電感（或稱(chēng)d軸）、反電動(dòng)勢。參數自學(xué)習的準確與否直接關(guān)系到變頻器的輸出電壓是否準確。

原理：

其中，Id和Iq為變頻器實(shí)際可以控制的量，Xd、Xq為電機的直軸、交軸電感，為電機固有參數。U為電機的反電動(dòng)勢，ra為電機的定子繞組。

自學(xué)習方法：動(dòng)態(tài)自學(xué)習方式。

現場(chǎng)參數自學(xué)習的結果比較：

4.2.2 控制方式

同步電機的控制方式有V/F控制、開(kāi)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的初始磁極位置，具體方法：變頻器發(fā)一串脈沖群到電機定子繞組，推算出轉子磁極位置和方向。磁極位置和方向 找不準的直接影響為：在電機啟動(dòng)時(shí)，電機會(huì )先反轉一定的角度，然后在正轉。此種情況在負載比較特殊的場(chǎng)合是不允許的，如在礦井提升機、皮帶機上，若沒(méi)有止 逆裝置，電機反轉很有可能出現溜溝現象。

采用V/F控制時(shí)，需使用多點(diǎn)V/F功能，根據電機反電動(dòng)勢的情況調節V/F曲線(xiàn)，使變頻器在每個(gè)頻率段都能輸出準確的電壓。

采用V/F控制方式場(chǎng)合：對于啟動(dòng)力矩無(wú)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)電機會(huì )出現抖動(dòng)現象，在啟動(dòng)成功后，若負載發(fā)生突變，則容易出現電機失步現象。變頻器輸出電壓太高，電機容易出現失調，變頻器輸出電壓太低，則變頻器容易報故障。

采用開(kāi)環(huán)矢量控制場(chǎng)合：對于啟動(dòng)力矩有一定要求的場(chǎng)合，我們公司采用開(kāi)環(huán)矢量控制時(shí)，可以做到3Hz時(shí)滿(mǎn)轉矩輸出。

采 用開(kāi)環(huán)矢量控制時(shí)，負載的突變也可能導致電機失步或者是輸出力矩達不到要求。此時(shí)需要調節速度環(huán)和電流環(huán)參數。速度環(huán)參數是調節速度響應時(shí)間的參數，與系 統的慣性有密切的聯(lián)系，參數設置不準確容易引起系統震蕩，電流環(huán)是調節變頻器輸出力矩的參數，這兩個(gè)參數都是經(jīng)驗值，根據負載的不同、電機功率的不同，需 進(jìn)行多次試驗選取一個(gè)最佳值。

采用閉環(huán)矢量控制場(chǎng)合：對于啟動(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(chēng)懸停功能）。采用閉環(huán)矢量控制時(shí)所有的電機參數如轉速、位置信號都由編碼器來(lái)采集和傳輸，所以變頻器無(wú)需參數自學(xué) 習。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)，編碼器的信號線(xiàn)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、可以準確檢測出轉子位置，保證啟動(dòng)過(guò)程中不會(huì )出現失步狀態(tài)。

2、 穩定輸出指定頻率和電壓，根據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（相位差<0.1°，頻差<0.01hz，幅值差<150V）  

4、裝置通過(guò)系統保護和硬件電路保護能很好的保護整個(gè)裝置起動(dòng)中的各種風(fēng)險，能及時(shí)分斷高壓，并保護裝置器件以及同步電機。

 五、 現場(chǎng)應用照片

圖1 現場(chǎng)對拖電機

圖2 現場(chǎng)變頻器

六、 結束語(yǔ)

永磁同步電動(dòng)機由于其體積小、重量輕、高效節能等一系列優(yōu)點(diǎn)，是當今社會(huì )的低碳電機，已越來(lái)越引起人們重視，由于同步電機的運行特性和其控制技術(shù)日趨成熟，異步電動(dòng)機正逐步被永磁同步電動(dòng)機調速系統所取代。隨著(zhù)同步電機的大量應用，對變頻調速的控制功能和性能也將有更高的要求。通過(guò)本項目證明，英威騰GD5000系列高壓變頻器能很好的滿(mǎn)足生產(chǎn)驅動(dòng)要求外，還能提高整個(gè)電網(wǎng)的功率因數，大大提高能源利用率。

參考文獻：

【1】  《GD5000系列高壓變頻器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)》     深圳市英威騰電氣股份有限公司

【2】  陳榮  《永磁同步電機控制系統》中國水利水電出版社  2009-01出版