第五章  矿山行业

第二节  矿井提升机变频调速节能改造案例（2）

三、变频调速方式的运行特性分析
　　变频调速的运行方式是指将电机的转子绕组短接，通过变频器内的电力电子器件将工频电网50Hz的电压转换成其他频率的电压，加在电机的定子绕组上。通过调节变频器输出电压的幅值、频率和相位控制电机运行在期望的转速上。其电路结构如图13所示。

                    图13：变频调速方式接线图

　　与转子串电阻调速的方式相比，变频调速具有电机电流小、电机工作平稳、转矩脉动小、电机可控性高、节能等特点。
　　变频调速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差频率控制、直接转矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能够通过对电机的建模运算，实现电机磁通和转矩的解耦控制，具有最优的控制性能。
　　在矢量控制方式下，变频器能够根据测量到的电压、电流信号，以及事先测得的电机参数，根据内建的电机模型，计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差，对输出转矩进行调节，如需要的输出转矩大于设定的“最大转矩”，按照最大转矩输出。
　　在设定的“加速时间”充分短的时候，电机按照最大转矩进行加速，设置“最大转矩”为2倍额定转矩时，额定负载下电机加速过程的转矩，电机电流、电机功率随转速变化的曲线如图14-16所示。此时，电机按照2倍额定转矩加速，加速完成后，其输出转矩为实际负载转矩。

图14：最大转矩限制的矢量控制变频调速方式下，电机的转矩-转速特性曲线

图15：最大转矩限制的矢量控制变频调速方式下，电机的定子电流-转速特性曲线

图16：最大转矩限制的矢量控制变频调速方式下，电机的功率-转速特性曲线

　　在实际使用中，由于提升机系统一般对于最大加速度有一定的限制，因此“加速时间”一般根据期望的加速度进行设置，按照该设置进行加速时，一般无需到达设定的最大转矩，图17-19为典型的加速时间设置情况下，负载为额定转矩时加速过程的转矩、电流、功率随转速变化曲线。在提升机启动时，先启动变频器后松闸，此时电机施加最大转矩；而后电机根据设定的加速曲线进行加速，此时的电机输出转矩由负载和设定的加速时间（加速度）所确定，约为1.3倍额定转矩，其中负载转矩为1倍额定转矩，加速转矩为0.3倍额定转矩；随着转速的上升，物理系统的阻力有所增加，电机的输出转矩略有增加；到达给定转速（额定转速）后，电机停止加速，带负载稳定运行，输出转矩与负载转矩相同。

图17：加速时间限制的矢量控制变频调速方式下，电机的转矩-转速特性曲线

图18：加速时间限制的矢量控制变频调速方式下，电机的定子电流-转速特性曲线

图19：加速时间限制的矢量控制变频调速方式下，电机的功率-转速特性曲线

四、变频调速方式与转子串电阻方式的对比
　　与转子串电阻调速方式相比，在相同的负载下，加速过程中变频调速方式电机转矩脉动更小，电机电流更小，低速下从电网吸收的功率更小。这就意味着变频调速方式下，电机老化程度更低，加速更平稳，所乘人员舒适性更好，且具有显著的节能效果。
　　图20-22为两种方式的对比曲线，其中，蓝色粗线为变频调速方式（加速时间限制方式），黑色细线为转子串电阻调速方式（额定电流切换控制方式）。

本文根据电机学模型，着重分析了绕线式异步电机在转子串电阻调速方式和矢量控制变频调速方式下的运行特性，分析表明，在相同的负载下，与转子串电阻调速相比，矢量控制变频调速方式下电机转矩脉动小，电机电流小，低速段能耗低。变频改造能够显著降低设备振动、磨损，具有很大的节能效果。

图20：两种控制方式下，电机的转矩-转速特性对比曲线

图21：两种控制方式下，电机的定子电流-转速特性对比曲线

图22：两种控制方式下，电机的功率-转速特性对比曲线