英威腾GD5000四象限高压变频器在山东某公司的应用

摘要：本文结合我司GD5000系列四象限高压变频器在山东某公司电机对拖平台上的应用情况，阐述了我司两象限和四象限变频器在大功率同步电机上的应用特点。

关键词：永磁同步电机   四象限 参数自学习 矢量控制  悬停功能 高压变频器

一、引言

该公司是一个皮带机生产为主的企业，其依靠山东矿大的学术环境以及技术氛围，在皮带机、传输机方面有着不错的建树。近期开始进军高极对数的永磁同步电机驱动领域，特别是在高压永磁同步电机方面，目前已经成功完成10KV 30对极的永磁同步电机项目，主要应用在皮带机上可以直接驱动皮带机，省掉皮带机的变速箱，从而节省体积。

本文主要结合深圳英威腾高压变频器在其加载系统上的实际应用情况，对高压变频器在永磁同步电机上的应用特点和注意事项进行简要介绍。

二、项目介绍

该公司为了测试电机以及变频器，做了一个对拖实验平台；并且购买了我司两台高压变频器，一台是两象限高压变频器GD5000-B2240-10-S，一台是四象限高压变频器GD5000-B2500-10-SR。用我司的高压变频器做加载用。其主回路方案如下：

基本试验原理如下：

QF1合闸，电网电源经10KV母线提供试验电源，两象限变频器给拖动电动机M1供电，其同轴联接的电机M2经四象限站用变频器联接至电网。负载电机M2及四象限站用变频器采用成熟的技术，具备预置转矩功能。联接试验系统中的电气线路保证电能流向可逆，以满足今后被试变频器的四象限运行试验。试验回路如下：

供电电源10KV母线→两象限变频器→输出开关柜→M1→M2→输出开关柜→四象限限变频器→回馈10KV母线，此时系统由电网吸取能量仅为所有参与、被试设备的损耗。

三、变频器应用情况

1.调试项目

1） 参数自学习。

说明：此项目是为了测试电机生产与设计值是否相符和，针对对象为电机。

2） 空载测试。

3） 采用盘式制动器加载测试。

说明：此项目模拟的是变频器重载启动，主要测试变频器的重载启动能力。

4） 采用四象限变频器加载测试。

说明：此项目主要测试变频器的转矩控制性能、变频器的过载能力、电机的过载能力、温升。

5） 测试不同频率下电机的恒转矩特性曲线。

说明：此项目主要针对电机的项目。

6） 测试电机的弱磁能力、变频器的弱磁控制能力。

2.实验情况

2.1概述

同步电机分为电励磁和永磁，按照磁极分类：隐极式和凸极式。隐极式电机交轴电感等于直轴电感，多试用于高速同步发电机；凸极式电机交轴电感不等于直轴电感（对于永磁同步电机来说，一般是交轴电感大于直轴电感，对于电励磁电机来说，一般是直轴电感大于交轴电感），多用于低速发电机和同步电动机。

电机有正常工作状态和弱磁状态，电机一旦进入弱磁状态变频器输出电压不再改变，一般为电机额定电压。而电机电流增大，超过额定电流，速度增大时电磁转矩减小，电机功率为恒功率，所以有人把弱磁调速又叫做恒功率调速。

弱磁状态最直接的现象是电机的反电动势高于变频器输出的电压。电机进入弱磁后，变频器必须也要进入弱磁控制状态，即通过对电机的Id和Iq进行调节，控制Id<0,使q轴上的感生电势变小，使电机转速达到额定转速以上运行，一般适用于基频以上的恒功率调速。

2.2  实验步骤

永磁同步电机的调试步骤分为参数自学习、寻找磁极位置、启动三大步：

2.2.1参数自学习

对于同步电机，首先要进行参数自学习，学习的内容有定子电阻、定子交轴电感（或称q轴）、直轴电感（或称d轴）、反电动势。参数自学习的准确与否直接关系到变频器的输出电压是否准确。

原理：

其中，Id和Iq为变频器实际可以控制的量，Xd、Xq为电机的直轴、交轴电感，为电机固有参数。U为电机的反电动势，ra为电机的定子绕组。

自学习方法：动态自学习方式。

现场参数自学习的结果比较：

4.2.2控制方式

同步电机的控制方式有V/F控制、开环矢量控制和闭环矢量控制。

首先，不管采用哪种控制方式，变频都必须先找电机的初始磁极位置，具体方法：变频器发一串脉冲群到电机定子绕组，推算出转子磁极位置和方向。磁极位置和方向找不准的直接影响为：在电机启动时，电机会先反转一定的角度，然后在正转。此种情况在负载比较特殊的场合是不允许的，如在矿井提升机、皮带机上，若没有止逆装置，电机反转很有可能出现溜沟现象。

采用V/F控制时，需使用多点V/F功能，根据电机反电动势的情况调节V/F曲线，使变频器在每个频率段都能输出准确的电压。

采用V/F控制方式场合：对于启动力矩无特殊要求的场合，V/F模式启动力矩比较小，控制精度不高，在启动时电机会出现抖动现象，在启动成功后，若负载发生突变，则容易出现电机失步现象。变频器输出电压太高，电机容易出现失调，变频器输出电压太低，则变频器容易报故障。

采用开环矢量控制场合：对于启动力矩有一定要求的场合，我们公司采用开环矢量控制时，可以做到3Hz时满转矩输出。

采用开环矢量控制时，负载的突变也可能导致电机失步或者是输出力矩达不到要求。此时需要调节速度环和电流环参数。速度环参数是调节速度响应时间的参数，与系统的惯性有密切的联系，参数设置不准确容易引起系统震荡，电流环是调节变频器输出力矩的参数，这两个参数都是经验值，根据负载的不同、电机功率的不同，需进行多次试验选取一个最佳值。

采用闭环矢量控制场合：对于启动力矩有比较苛刻的要求的场合，如需要0频力矩保持功能（又称悬停功能）。采用闭环矢量控制时所有的电机参数如转速、位置信号都由编码器来采集和传输，所以变频器无需参数自学习。目前我司编码器支持UVW编码器和正余弦编码器，使用编码器时，编码器的信号线传输至变频器的距离不能超过20米。

四、 采用英威腾高压变频器的优点

1、可以准确检测出转子位置，保证启动过程中不会出现失步状态。

2、 稳定输出指定频率和电压，根据不同工艺情况快速进入同步状态

3、通过锁相环技术，可以控制装置的输出电压和电网电压在指定范围内（相位差<0.1°，频差<0.01hz，幅值差<150V） 

4、装置通过系统保护和硬件电路保护能很好的保护整个装置起动中的各种风险，能及时分断高压，并保护装置器件以及同步电机。

五、 现场应用照片

图1 现场对拖电机

图2 现场变频器

六、 结束语

永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，是当今社会的低碳电机，已越来越引起人们重视，由于同步电机的运行特性和其控制技术日趋成熟，异步电动机正逐步被永磁同步电动机调速系统所取代。随着同步电机的大量应用，对变频调速的控制功能和性能也将有更高的要求。通过本项目证明，英威腾GD5000系列高压变频器能很好的满足生产驱动要求外，还能提高整个电网的功率因数，大大提高能源利用率。

参考文献：

【1】 《GD5000系列高压变频器产品说明书》    深圳市英威腾电气股份有限公司

【2】 陈荣 《永磁同步电机控制系统》中国水利水电出版社 2009-01出版