施耐德電氣 （中國(guó)）有限公司

施耐德電氣變頻器用于永磁同步電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

施耐德電氣 （中國(guó)）有限公司

1 應(yīng)用背景介紹

目前，施耐德電氣普通版的ATV61/71變頻器用于永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor 簡(jiǎn)稱 PMSM）性能一般，尤其是對(duì)于凸極度較高的電機(jī)（Ld<

ATV630已經(jīng)先行面世，其內(nèi)部集成了開環(huán)同步電機(jī)控制的算法再次給我們帶來了希望。近期，STIE&GHD 和施耐德電氣先后在 MHP 的同步電機(jī)上做了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果比較令人滿意。

2 應(yīng)用測(cè)試一

2.1 試驗(yàn)條件

負(fù)載為柱塞泵，這種泵屬于正位移容積泵，為典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，流體的流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，與壓差關(guān)系不大。在壓差恒定的情況下，所需的功率與轉(zhuǎn)速成正比。在很多情況下，為了保證過載能力，需要將電機(jī)放大一檔選型，在匹配變頻器時(shí)，需要按照重載選型。

在本次測(cè)試中，所用柱塞泵的銘牌參數(shù)為 ：

Delta P=550mPa; n stages=1309-3481 1/min; Volume=11.0-35.6m3/min; Pin=14.97-43.33kW

電機(jī)銘牌參數(shù)為：

Un=370Volts,Freq=240Hz,n= 3600rpm,Pn=50KW,Nm=132.6,In=105A, Imax/In=145%,Eff=95.5%,Ins.Cl=F, Standard=IEC60034-1

最后所列標(biāo)準(zhǔn)表面其耐受電壓尖峰和 dv/dt 符合變頻器專用電機(jī)的要求。

測(cè)試所使用的變頻器為 ATV630HD55N4，V1.1IE03_B03

輸出能力為：

ND: Icont=106A, I trans=116.6A, HD: Icont=88A , Itrans=132A.

2.2 基本參數(shù)設(shè)置

（1）同步電機(jī)參數(shù)

額定電流nCrS=105A，額定轉(zhuǎn)矩TQS=132NM，額定轉(zhuǎn)速nSPS=3600rpm，極對(duì)數(shù)PPnS=4;功率nPr=50Hz，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)PHS=84(計(jì)算值)。

（2）應(yīng)用參數(shù)

下限頻率LSP=87Hz，上限頻率HSP=227Hz，加速時(shí)間ACC=10s，減速時(shí)間dEC=10s，第二加速時(shí)間AC2=72 秒，第二減速時(shí)間dE2=72 秒，斜坡切換頻率Frt=10Hz。

2.3 電機(jī)參數(shù)自整定

進(jìn)行參數(shù)自整定后，獲得如下電機(jī)模型參數(shù)：

直軸電感LDS=0.58mH，交軸電感LQS=0.829mH，定子電阻RSAS=34.4mOhm.

2.4 輕載運(yùn)行

根據(jù)上述輸入?yún)?shù)和自整定的結(jié)果，電機(jī)可以不報(bào)故障地運(yùn)行，但是電機(jī)電流略大；通過Modbus 監(jiān)控參數(shù)RDAE（暫未開放，在下個(gè)版本有望作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)開放），調(diào)整PHS的設(shè)置，使RADE 趨近于零，獲得最優(yōu)的PHS值=60mv/rpm，電流最佳，如圖1所示。

圖1 PHS的調(diào)整運(yùn)行特性曲線

從圖中可以看到，PHS的手動(dòng)調(diào)整對(duì)運(yùn)行電流的影響起到很大的作用，沒有手動(dòng)調(diào)整PHS時(shí)， 起動(dòng)瞬間電流達(dá)到電機(jī)額定電流的40%，穩(wěn)定運(yùn)行電流為電機(jī)額定電流的60%；手動(dòng)調(diào)整 PHS后（使 RDAE 接近于零），電機(jī)起動(dòng)瞬間電流降低到電機(jī)額定電流的15%，穩(wěn)定運(yùn)行電流為電機(jī)額定電流的50%，9%額定運(yùn)行速度以上都是穩(wěn)定區(qū)。

2.5 滿載運(yùn)行

帶載運(yùn)行，速度為額定速度的15%時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為65%，速度為額定速度的95%時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 80%。如圖2所示。

圖2 帶載運(yùn)行特性

由于電機(jī)相對(duì)于柱塞泵選大了一檔，所以即使柱塞泵滿載運(yùn)行，電機(jī)的額定電流也沒有達(dá)到額定值。

從圖2中可以印證，柱塞泵負(fù)載基本上是一種恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，跟離心泵有著根本的區(qū)別。但即使如此，ATV630帶同步電機(jī)也很順利就將其起動(dòng)起來，整個(gè)過程波瀾不驚。僅就這點(diǎn)而言，ATV630 比 ATV61/71 有了較大提高。

降速停機(jī)的過程也非常順利，由于降速較慢，所以整個(gè)過程電機(jī)仍然以電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，幾乎是起動(dòng)的反過程。

客戶對(duì)調(diào)試結(jié)果表示滿意，ATV630驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)調(diào)試簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，相對(duì)于 ATV61/71在 這方面的表現(xiàn)有很大提高。

3 應(yīng)用測(cè)試二

3.1 試驗(yàn)條件

負(fù)載為螺桿式空氣壓縮機(jī)。目前標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型為異步電機(jī)通過皮帶或者聯(lián)軸器拖動(dòng)螺桿式壓縮機(jī)頭。但市場(chǎng)上有一個(gè)明顯的趨勢(shì)是采用一體化的同步電機(jī)壓縮機(jī)頭，它將同步電機(jī)和壓縮機(jī)頭同軸。由于永磁同步電機(jī)的體積小，噪聲低，能效高，而且它在不帶額外強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，允許長(zhǎng)期低速帶載運(yùn)行，所以使得空壓機(jī)能夠不卸載或者少卸載運(yùn)行，保證管網(wǎng)壓力的持續(xù)穩(wěn)定。在專業(yè)展會(huì)上越來越多的廠家展出永磁同步電機(jī)壓縮機(jī)或者機(jī)頭，國(guó)內(nèi)廠家也躍躍欲試，吸引國(guó)內(nèi)外變頻器生產(chǎn)廠家配套試驗(yàn)，意圖搶得先機(jī)。

（1）電機(jī)銘牌參數(shù)

Un=380V, Freq=155Hz, n=3110rpm, Pole Pairs=3,Pn=37KW,T n=114Nm,Imax=75A,EFF=0.94, Ins.CL=F, Rating = Class 1, Service Factor=1.15,

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)

LD=0.53mH, LQ=1.046mH, PHS=86.6mH

被測(cè)試的變頻器規(guī)格為ATV630HD37N4, Icont=74.5A, Itrans=92.3A， Firmware V1.1IE01

3.2 基本參數(shù)設(shè)置

（1）同步電機(jī)參數(shù) ：

額定電流nCrS=75A，額定轉(zhuǎn)矩TQS=114NM，額定轉(zhuǎn)速nSPS=3100rpm，極對(duì)數(shù)PPnS=3；功率nPr=37kW，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)PHS=100mV/rpm（計(jì)算值）。

（2）應(yīng)用參數(shù)

下限頻率LSP=15Hz，上限頻率HSP=155Hz，加速時(shí)間ACC=30s，減速時(shí)間 dEC=30s。

3.3 電機(jī)參數(shù)自整定及空載運(yùn)行

進(jìn)行參數(shù)自整定后，獲得如下電機(jī)模型參數(shù)：

直軸電感LDS=0.518mH，交軸電感LQS=1.047mH，定子電阻RSAS=17.5mOhm.

將空壓機(jī)卸載，螺桿機(jī)頭處于處于空載狀態(tài)。

采用計(jì)算值PHS=100mV/rpm，變頻器報(bào)TJF（IGBT 過熱故障）無法起動(dòng)，逐漸減小此值，當(dāng)PHS=90mV/min時(shí)，變頻器可以起動(dòng)，通過Modbus監(jiān)視參數(shù)RDAE，細(xì)調(diào)PHS，使RDAE趨于零， 獲得最佳的運(yùn)行效果。最終PHS=87mV/min。

跟現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一一樣，上述調(diào)試說明，參數(shù)RDAE應(yīng)該開放為標(biāo)準(zhǔn)顯式參數(shù)。事實(shí)上，ATV32變頻器的同步電機(jī)模型經(jīng)驗(yàn)證控制效果不錯(cuò)，而且其最新版本的固件已經(jīng)將RDAE作為標(biāo)準(zhǔn)顯式參數(shù)作為調(diào)試指導(dǎo)。

空載運(yùn)行電流如表1所示（P=0）表中進(jìn)線電流通過數(shù)字萬用表測(cè)量。

表1 空載運(yùn)行電流

這表明空載下：

（1）螺桿式空壓機(jī)是一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)電流幾乎與轉(zhuǎn)速無關(guān)；

（2）進(jìn)線電流反映了從電網(wǎng)吸收的功率，基本與頻率成線性關(guān)系，與理論相符。

3.4 負(fù)載運(yùn)行

負(fù)載運(yùn)行時(shí)，變頻器和電機(jī)的運(yùn)行狀況記錄如表2所示：

表2 變頻器和電機(jī)的運(yùn)行狀況記錄

這表明負(fù)載下：

（1）在 30Hz 以上，在相同的負(fù)載壓力下，變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出電流基本恒定，但是由于該空壓機(jī)是與車間其它試驗(yàn)機(jī)一起工作，并非完全獨(dú)立，其負(fù)載壓力與流量之間的關(guān)系跟其它空 壓機(jī)和用氣負(fù)荷有一定關(guān)聯(lián)，所以即使出口壓力相同，不同時(shí)段變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和壓力的關(guān)系并非一成不變。

（2）變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流基本成正比，說明變頻器對(duì)同步電機(jī)的模型算法相當(dāng)準(zhǔn)確，能夠客觀地計(jì)算出變頻器的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的夾角并保持恒定。

（3）變頻器的輸出電壓與頻率基本成正比，同步電機(jī)的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)獨(dú)立，受負(fù)載和磁場(chǎng)飽和的影響很小。

客戶對(duì)當(dāng)前調(diào)試的結(jié)果滿意，認(rèn)為ATV630調(diào)試簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠?，F(xiàn)場(chǎng)參與調(diào)試的工程師均表示，原來ATV61/71僅僅適用于凸極度較小的電機(jī)，而對(duì)于凸極度大的電機(jī)，調(diào)試難度大，而 且不能保證成功。大家對(duì) ATV6XX 的表現(xiàn)充滿了期待。

4 效果分析

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)一的永磁同步電機(jī)的銘牌見前述，異步電機(jī)的銘牌參數(shù)為：額定功率 Pn=50kW，額定轉(zhuǎn)速 nN=2970rpm，額定頻率 fN=50Hz，極對(duì)數(shù) PPN=1，額定電壓；Un=380V，額定電流In=95A，能效等級(jí) IE2（在 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中，屬中等能效）。

用示波器觀察變頻器電源側(cè)的電壓（單相）和電流的波形類似，如圖 3所示。

圖3 變頻器電源側(cè)的電壓和電流波形

圖中，藍(lán)色的曲線為電壓波形，綠色的曲線為電流波形。

異步電機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)為：Urms=233.6V，F(xiàn)req=50Hz，Irms=69.67A，Active Power=45.93KW，COS(PHY1)=0.992，THDI=35.6%，引申計(jì)算出：Apparent Power=48.82KVA，Lamda=0.94，I1=65.49A

同步電機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)為：Urms=233.6V，F(xiàn)req=50Hz，Irms=68.22A，Active Power=44.7KW，COS（PHY1）=0.995，THDI=37.5%，引申計(jì)算出：Apparent Power=47.81KVA，Lamda=0.93，I1=63.45A

區(qū)別不是很大，電流諧波畸變率THDi均在 38%以內(nèi)，綜合功率因數(shù)Lamda均在0.93以上， 同步電機(jī)比異步電機(jī)消耗的功率大約低2.7%，即節(jié)能2.7%。

考慮到數(shù)字示波器計(jì)算的功率不準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)又用客戶的有功電度表實(shí)測(cè)了相同時(shí)間內(nèi)二者的實(shí)際功耗，發(fā)現(xiàn)同步電機(jī)耗能11.96kW，異步電機(jī)耗能12.38kW，同步電機(jī)比異步電機(jī)節(jié)能 3.4%。

上述數(shù)據(jù)僅供象征性的參考，因?yàn)椴煌β省⒉煌苄У燃?jí)的電機(jī)，運(yùn)行在不同的負(fù)荷率，其效率是不同的，越大功率的異步電機(jī)效率越高，兩者效率的差別越小。但是有一點(diǎn)需要說明的是，測(cè)試變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的功率和效率，不能僅僅從變頻器的輸出電流即電機(jī)電流的大小來判斷，而應(yīng)該從變頻器的進(jìn)線側(cè)通過有功功率表或者有功電能表來實(shí)際測(cè)量獲得，因?yàn)樽冾l器經(jīng)過交直交變換，除了能量守恒定律仍然有效外，輸入輸出側(cè)的電流，電壓都沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。