摘要：本文結(jié)合我司GD5000系列四象限高壓變頻器在山東某公司電機(jī)對拖平臺上的應(yīng)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(jī)上的應(yīng)用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)四象限參數(shù)自學(xué)習(xí)矢量控制懸停功能高壓變頻器

一、引言

該公司是一個皮帶機(jī)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(jī)、傳輸機(jī)方面有著不錯的建樹。近期開始進(jìn)軍高極對數(shù)的永磁同步電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，特別是在高壓永磁同步電機(jī)方面，目前已經(jīng)成功完成10KV 30對極的永磁同步電機(jī)項(xiàng)目，主要應(yīng)用在皮帶機(jī)上可以直接驅(qū)動皮帶機(jī)，省掉皮帶機(jī)的變速箱，從而節(jié)省體積。

本文主要結(jié)合深圳英威騰高壓變頻器在其加載系統(tǒng)上的實(shí)際應(yīng)用情況，對高壓變頻器在永磁同步電機(jī)上的應(yīng)用特點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行簡要介紹。

二、項(xiàng)目介紹

該公司為了測試電機(jī)以及變頻器，做了一個對拖實(shí)驗(yàn)平臺；并且購買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(yàn)原理如下：

QF1合閘，電網(wǎng)電源經(jīng)10KV母線提供試驗(yàn)電源，兩象限變頻器給拖動電動機(jī)M1供電，其同軸聯(lián)接的電機(jī)M2經(jīng)四象限站用變頻器聯(lián)接至電網(wǎng)。負(fù)載電機(jī)M2及四象限站用變頻器采用成熟的技術(shù)，具備預(yù)置轉(zhuǎn)矩功能。聯(lián)接試驗(yàn)系統(tǒng)中的電氣線路保證電能流向可逆，以滿足今后被試變頻器的四象限運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)回路如下：

供電電源10KV母線→兩象限變頻器→輸出開關(guān)柜→M1→M2→輸出開關(guān)柜→四象限限變頻器→回饋10KV母線，此時系統(tǒng)由電網(wǎng)吸取能量僅為所有參與、被試設(shè)備的損耗。

三、變頻器應(yīng)用情況

1. 調(diào)試項(xiàng)目

1） 參數(shù)自學(xué)習(xí)。

說明：此項(xiàng)目是為了測試電機(jī)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)值是否相符和，針對對象為電機(jī)。

2） 空載測試。

3） 采用盤式制動器加載測試。

說明：此項(xiàng)目模擬的是變頻器重載啟動，主要測試變頻器的重載啟動能力。

4） 采用四象限變頻器加載測試。

說明：此項(xiàng)目主要測試變頻器的轉(zhuǎn)矩控制性能、變頻器的過載能力、電機(jī)的過載能力、溫升。

5） 測試不同頻率下電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩特性曲線。

說明：此項(xiàng)目主要針對電機(jī)的項(xiàng)目。

6） 測試電機(jī)的弱磁能力、變頻器的弱磁控制能力。

2. 實(shí)驗(yàn)情況

2.1 概述

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

電機(jī)有正常工作狀態(tài)和弱磁狀態(tài)，電機(jī)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(jī)額定電壓。而電機(jī)電流增大，超過額定電流，速度增大時電磁轉(zhuǎn)矩減小，電機(jī)功率為恒功率，所以有人把弱磁調(diào)速又叫做恒功率調(diào)速。

弱磁狀態(tài)最直接的現(xiàn)象是電機(jī)的反電動勢高于變頻器輸出的電壓。電機(jī)進(jìn)入弱磁后，變頻器必須也要進(jìn)入弱磁控制狀態(tài)，即通過對電機(jī)的Id和Iq進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制Id<0,使q軸上的感生電勢變小，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行，一般適用于基頻以上的恒功率調(diào)速。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

永磁同步電機(jī)的調(diào)試步驟分為參數(shù)自學(xué)習(xí)、尋找磁極位置、啟動三大步：

2.2.1 參數(shù)自學(xué)習(xí)

對于同步電機(jī)，首先要進(jìn)行參數(shù)自學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的內(nèi)容有定子電阻、定子交軸電感（或稱q軸）、直軸電感（或稱d軸）、反電動勢。參數(shù)自學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到變頻器的輸出電壓是否準(zhǔn)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(jī)的直軸、交軸電感，為電機(jī)固有參數(shù)。U為電機(jī)的反電動勢，ra為電機(jī)的定子繞組。

自學(xué)習(xí)方法：動態(tài)自學(xué)習(xí)方式。

現(xiàn)場參數(shù)自學(xué)習(xí)的結(jié)果比較：

項(xiàng)目	設(shè)計(jì)值	實(shí)測值
定子電阻	0.7518Ω	1.065Ω
直軸電感	78.577mH	75.86 mH
交軸電感	86.434mH	98 mH
反電動勢	8497.7V	9361 V

4.2.2 控制方式

同步電機(jī)的控制方式有V/F控制、開環(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(jī)的初始磁極位置，具體方法：變頻器發(fā)一串脈沖群到電機(jī)定子繞組，推算出轉(zhuǎn)子磁極位置和方向。磁極位置和方向找不準(zhǔn)的直接影響為：在電機(jī)啟動時，電機(jī)會先反轉(zhuǎn)一定的角度，然后在正轉(zhuǎn)。此種情況在負(fù)載比較特殊的場合是不允許的，如在礦井提升機(jī)、皮帶機(jī)上，若沒有止逆裝置，電機(jī)反轉(zhuǎn)很有可能出現(xiàn)溜溝現(xiàn)象。

采用V/F控制時，需使用多點(diǎn)V/F功能，根據(jù)電機(jī)反電動勢的情況調(diào)節(jié)V/F曲線，使變頻器在每個頻率段都能輸出準(zhǔn)確的電壓。

采用V/F控制方式場合：對于啟動力矩?zé)o特殊要求的場合，V/F模式啟動力矩比較小，控制精度不高，在啟動時電機(jī)會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，在啟動成功后，若負(fù)載發(fā)生突變，則容易出現(xiàn)電機(jī)失步現(xiàn)象。變頻器輸出電壓太高，電機(jī)容易出現(xiàn)失調(diào)，變頻器輸出電壓太低，則變頻器容易報故障。

采用開環(huán)矢量控制場合：對于啟動力矩有一定要求的場合，我們公司采用開環(huán)矢量控制時，可以做到3Hz時滿轉(zhuǎn)矩輸出。

采用開環(huán)矢量控制時，負(fù)載的突變也可能導(dǎo)致電機(jī)失步或者是輸出力矩達(dá)不到要求。此時需要調(diào)節(jié)速度環(huán)和電流環(huán)參數(shù)。速度環(huán)參數(shù)是調(diào)節(jié)速度響應(yīng)時間的參數(shù)，與系統(tǒng)的慣性有密切的聯(lián)系，參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確容易引起系統(tǒng)震蕩，電流環(huán)是調(diào)節(jié)變頻器輸出力矩的參數(shù)，這兩個參數(shù)都是經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)負(fù)載的不同、電機(jī)功率的不同，需進(jìn)行多次試驗(yàn)選取一個最佳值。

采用閉環(huán)矢量控制場合：對于啟動力矩有比較苛刻的要求的場合，如需要0頻力矩保持功能（又稱懸停功能）。采用閉環(huán)矢量控制時所有的電機(jī)參數(shù)如轉(zhuǎn)速、位置信號都由編碼器來采集和傳輸，所以變頻器無需參數(shù)自學(xué)習(xí)。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，編碼器的信號線傳輸至變頻器的距離不能超過20米。

四、采用英威騰高壓變頻器的優(yōu)點(diǎn)

1、可以準(zhǔn)確檢測出轉(zhuǎn)子位置，保證啟動過程中不會出現(xiàn)失步狀態(tài)。

2、 穩(wěn)定輸出指定頻率和電壓，根據(jù)不同工藝情況快速進(jìn)入同步狀態(tài)

3、通過鎖相環(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(nèi)（相位差<0.1°，頻差<0.01hz，幅值差<150V）  

4、裝置通過系統(tǒng)保護(hù)和硬件電路保護(hù)能很好的保護(hù)整個裝置起動中的各種風(fēng)險，能及時分?jǐn)喔邏?，并保護(hù)裝置器件以及同步電機(jī)。

五、現(xiàn)場應(yīng)用照片

圖1 現(xiàn)場對拖電機(jī)

圖2 現(xiàn)場變頻器

六、結(jié)束語

永磁同步電動機(jī)由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今社會的低碳電機(jī)，已越來越引起人們重視，由于同步電機(jī)的運(yùn)行特性和其控制技術(shù)日趨成熟，異步電動機(jī)正逐步被永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所取代。隨著同步電機(jī)的大量應(yīng)用，對變頻調(diào)速的控制功能和性能也將有更高的要求。通過本項(xiàng)目證明，英威騰GD5000系列高壓變頻器能很好的滿足生產(chǎn)驅(qū)動要求外，還能提高整個電網(wǎng)的功率因數(shù)，大大提高能源利用率。

參考文獻(xiàn)：

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

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