何 皓

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430033）

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能從而控制交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電力控制設(shè)備。

由于潛水泵起動(dòng)時(shí)的急鈕和忽停機(jī)時(shí)的水錘現(xiàn)象往往容易造成管道松動(dòng)或破裂，嚴(yán)重的可能造成電機(jī)的燒毀；同時(shí)電機(jī)起動(dòng)/停止時(shí)需要開(kāi)啟/封閉相對(duì)應(yīng)的閥門(mén)來(lái)減小水錘的影響，操縱一方面工作強(qiáng)度大，且難以滿足工藝的需要。在潛水泵安裝變頻器以后，可以根據(jù)工藝的需要，軟啟動(dòng)、可控加速、可調(diào)運(yùn)行速度、可調(diào)轉(zhuǎn)矩極限、可控停止方式、節(jié)能、可逆運(yùn)行控制以及減少機(jī)械傳動(dòng)部件等顯著特點(diǎn)。并且具有明顯的節(jié)能效果。

本文基于某污水處理廠的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)所需變頻器的容量以及變頻器制動(dòng)電阻等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而選擇合理的變頻器，達(dá)到工程需要。

1 電機(jī)容量的計(jì)算

1.1 水泵軸功率計(jì)算

泵在一定流量和揚(yáng)程下，原動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)傳給泵軸的功稱為軸功率。軸功率是多用在泵上的一個(gè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，即軸承將動(dòng)力（電機(jī)功率）傳給功部件（葉輪）的功率。功率值小于電機(jī)額定功率。實(shí)質(zhì)上軸功率跟聯(lián)軸器有很大的關(guān)系。電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接泵頭葉輪，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)聯(lián)軸器，聯(lián)軸器和泵內(nèi)的葉輪連接，進(jìn)而帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。因?yàn)橛新?lián)軸器這個(gè)部件，那么電機(jī)功率就不能完全轉(zhuǎn)化為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際效率，所以軸功率小于電機(jī)功率（額定功率）。

潛水泵所需軸功率計(jì)算為

式中，N為水泵設(shè)備所需的軸功率（kW）；ED% =t/T× 1 00%—水泵出水量（kW）；γ為水的密度（Kg/m3）；H為水泵總楊程（m）；η為水泵效率（一般取值為0.6～0.84）。

根據(jù)工藝要求，管道要求的數(shù)據(jù)如下：Q=694L/sH=4.1m；η=0.75。

由公式計(jì)算出軸功率為37.2kW。

1.2 電機(jī)功率計(jì)算

水泵機(jī)組配套電機(jī)的功率計(jì)算式為：

式中，P為電機(jī)功率kW；ηc=t/T×1 00%為電機(jī)與水泵間的傳動(dòng)效率，與電機(jī)直接連接時(shí)取1；K為裕量系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 裕量系數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算，電機(jī)選容量計(jì)算結(jié)果為43kW?？紤]實(shí)際運(yùn)行的效率在90%左右，選擇50kW的電機(jī)。電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電機(jī)參數(shù)

1.3 負(fù)載機(jī)械特性的確定

水泵電動(dòng)機(jī)作為一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能帶動(dòng)水泵進(jìn)行工作的設(shè)備。我們最關(guān)心的是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。確定負(fù)載機(jī)械特性對(duì)選擇變頻器非常重要，否則所選變頻器不能充分發(fā)揮性能，如產(chǎn)生大馬拉小車(chē)或電機(jī)過(guò)熱等現(xiàn)象。負(fù)載特性主要有如下幾種：

1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。轉(zhuǎn)速n變化，轉(zhuǎn)矩T基本不變，如輸送帶、起重機(jī)、臺(tái)車(chē)、機(jī)床進(jìn)給、擠壓機(jī)等。

2）恒功率負(fù)載。轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩越小，如卷取機(jī)、機(jī)床主軸、軋機(jī)等。

3）風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載。轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩也變小。

水泵屬于泵類(lèi)負(fù)載，又稱平方力矩負(fù)載，實(shí)際上力矩只是近似與速度平方成正比。本文所選水泵為離心式水泵，不考慮水泵的過(guò)負(fù)載能力，水泵在低速運(yùn)行時(shí)功率小，要求的調(diào)速范圍不大，因?qū)Υ俗冾l器的性能要求不高。

2 變頻器容量的選擇

常見(jiàn)的變頻器控制方式（控制變頻器輸出電壓和頻率）有：

1）電壓/頻率線性關(guān)系，用于同步電機(jī)或多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)。

2）磁通電流控制（FCC），可保持電機(jī)處于全磁通狀態(tài)，降低功耗。

3）電壓/頻率平方關(guān)系，用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)。

4）免測(cè)速機(jī)矢量控制，變頻器可計(jì)算出用于維持所需電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出電壓變化量，該方式提供最優(yōu)磁通控制和較高轉(zhuǎn)矩。

由于大部分通用變頻器的控制方式采用電壓/頻率平方關(guān)系，對(duì)泵類(lèi)負(fù)載也適用。施耐德ATV61系列變頻器可以滿足使用要求。

先初步按電機(jī)容量計(jì)算的結(jié)果來(lái)配匹變頻器的容量，本文中所選電機(jī)容量為50kW，變頻器的容量應(yīng)不小于50kW，在這個(gè)初步原則確定后。根據(jù)施耐德ATV61 系列變頻器產(chǎn)品樣本（圖1）。

圖1 ATV61 系列變頻器產(chǎn)品樣本

50kW 水泵電機(jī)可以選擇的變頻器為ATV61HD55N4以上等級(jí)的變頻器。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到ATV61HD55N4 變頻器最大連續(xù)工作電流為116A，根據(jù)圖一電機(jī)參數(shù)中的電機(jī)額定電流為131.3A。變頻器作為電機(jī)的電源供給系統(tǒng)，變頻器輸出電流應(yīng)當(dāng)大于電機(jī)額定電流。因此變頻器容量的選擇原則主要為：電動(dòng)機(jī)額定電流不大于變頻器輸出電流。根據(jù)圖一中的數(shù)據(jù)可以選擇ATV61HD75N4 以上等級(jí)變頻器。當(dāng)變頻器容量過(guò)大，則運(yùn)行時(shí)變頻器裕量過(guò)大，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)，因此變頻器容量不宜選擇過(guò)大，50kW 電機(jī)應(yīng)選擇ATV61HD75N4 變頻器。

3 制動(dòng)電阻的選擇

水泵電機(jī)在實(shí)際運(yùn)用中，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，相應(yīng)工作頻率也處于下降過(guò)程中，電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)產(chǎn)生再生能量反饋到直流電路中，使變頻器直流母線電壓不斷上升，甚至可能達(dá)到危險(xiǎn)的地步。必須將再生到直流電路的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內(nèi)。制動(dòng)電阻是用于將電機(jī)的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量?jī)蓚€(gè)重要的參數(shù)。

目前關(guān)于制動(dòng)電阻的計(jì)算方法有很多種，從工程的角度來(lái)講，要精確的計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值和功率在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不是很現(xiàn)實(shí)，主要是參數(shù)無(wú)法做到精確測(cè)量。目前通常用的方法就是估算方法。

1）變頻器最小連接電阻

為了保證變頻器不受損壞，流過(guò)制動(dòng)電阻的電流不應(yīng)超過(guò)電機(jī)的額定電流，此時(shí)計(jì)算出的電阻數(shù)值為變頻器最小連接電阻。最小連接電阻可按下面公式為

其中，UD為制動(dòng)電壓；IN為電機(jī)的額定電流。2）變頻器必要制動(dòng)電阻

工程實(shí)踐證明，當(dāng)放電電流等于電動(dòng)機(jī)額定電流的一半時(shí)，可以得到與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩相同的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩了，此時(shí)的電阻即為變頻器必要制動(dòng)電阻，工程計(jì)算公式為

3）制動(dòng)電阻使用率

制動(dòng)電阻使用率ED%定義為減速時(shí)間t 除以減速的周期T，使用率主要是為了能讓制動(dòng)單元和剎車(chē)電阻有充分的時(shí)間來(lái)散除因制動(dòng)而產(chǎn)生的熱量；當(dāng)制動(dòng)電阻發(fā)熱時(shí)，電阻值將會(huì)隨溫度的上升而變高，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦隨之減少。

其中，t為減速時(shí)間（能量再生時(shí)間）；T為負(fù)載周期動(dòng)作的時(shí)間

4）制動(dòng)電阻功率的選擇

由于再生能量的產(chǎn)生是電機(jī)減速時(shí)，轉(zhuǎn)矩方向相反的時(shí)候產(chǎn)生的。平均再生能量指的是一個(gè)周期內(nèi)所有再生能量的總和除以該周期占有時(shí)間，公式為

為保證制動(dòng)電阻安全使用，因此制動(dòng)電阻的額定功率必須大于系統(tǒng)的平均再生能量。

4 應(yīng)用

某污水處理廠A/A/O 生物池采用軸功率為39kW，揚(yáng)程為4.1m，流量為694L/s，水泵效率為75%的潛水軸流泵對(duì)污泥進(jìn)行回流，由于水泵供電距離達(dá)到300m，需對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻啟動(dòng)。變頻器選擇步驟：

1）根據(jù)水泵參數(shù)進(jìn)行電機(jī)功率計(jì)算，水泵所選電機(jī)額定功率為50kW。

2）水泵屬于泵類(lèi)負(fù)載，對(duì)變頻器要求不高，采用電壓/頻率平方關(guān)系控制的通用變頻器，由于水泵所選電機(jī)額定電流為131.3A，變頻器最大連續(xù)輸出電流選擇為160A；變頻器選擇為施耐德的ATV61HD75N4變頻器。

3）施耐德的ATV61HD75N4變頻器制動(dòng)電壓UD= 785V ，電機(jī)的額定電流IN= 131.3A，計(jì)算出的Rmin= 5.98Ω，Rmax= 11.96Ω；根據(jù)實(shí)際水泵運(yùn)行工況，水泵制動(dòng)時(shí)，電機(jī)平均再生能量為0.6kW。制動(dòng)電阻阻值選擇為8Ω，在制動(dòng)周期內(nèi)可用的平均額定能量為1kW，滿足制動(dòng)能量的要求。

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析，變頻器的主要參數(shù)選擇原則為

1）平均再生能量≤制動(dòng)電阻額定功率。

2）必要制動(dòng)電阻阻值≥制動(dòng)電阻阻值≥變頻器最小連接電阻。

由于本文所介紹變頻器的選擇是根據(jù)工程應(yīng)用的角度來(lái)考慮的，因此在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的具體情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，最終形成一個(gè)經(jīng)濟(jì)適用的可行的選擇方案。