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工业4.0时代,如何选对变频器?

发布时间:2016-05-26     来源:控制工程网

摘要:在现今这个工业4.0时代,各种智能电机和变频器层出不穷,增加变频器似乎比以往要容易的多,但是不同的智能电机类型针对的变频器选型标准也有所不同。本文分别从永磁同步电机和同步磁阻电机两种类型来分析,变频器选型时的侧重点和注意事项。
  在能源效率领域,变频器是当之无愧的能效提升利器。得益于部件质量的提升和小型化,为系统增加变频器是一个相对简单的选择。现在,先进变频器的效率可以保持在98%,是整个能源转换链条中最有效的环节。事实上,为系统增加变频器,通过改变电机的转速,不仅能降低能源消耗,使用恰当时还可以提高功率系数,降低维护成本,提高产量,提升最终用户的产品质量。
  最近,来自各方面的压力都要求企业提高能源效率,降低总的能源消耗。在能源利用效率、常温超导体没有大的突破的情况下,变频器的出现正当时。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,变频器是未来能源效率提升的重要一部分。更新、更高效的电机技术是另外一个关键环节——包括超级和超超级效率的感应电机、永磁同步电机以及相对更新的同步磁阻电机。
  永磁同步电机的变频器选型
  为感应电机规划、选择变频器,一直以来都非常简单:提供电机的电压和铭牌功率,或者更进一步,将电机的铭牌额定电流提供给意向变频器供应商。
  在能源政策和保护行动的最新修正案(2014)中,对电机的最低效率提出了更高的要求,而且比以往包含了更多类型的电机。然而控制工程网版权所有,更新、具有更高效率的电机,并不影响为特定应用规划、选择变频器。这就意味着具有相同额定功率的电机,可以使用更小的电流。
  在美国国家电气规程(NEC)的相关表格中规定了感应电机满负荷电流,大多数变频器制造商都据此来定义各自的功率等级。根据电流大小的不同,某些情况下可以为电机选择较小规格的变频器来实现同样的工作。这些表格的电流值,都要比目前使用的感应电机的电流值要高,和具有超级与超超级效率的电机相比更是如此。
  在感应电机的设计中,如果想要消除动子损失,非常困难,因为成本会急剧增加,这样就限制了此种技术的效率。为使电机效率更上一个台阶,电机制造商开始制造永磁同步电机(PM电机)。
  永磁同步电机的电流www.cechina.cn,比超级效率规格书中规定的电流要高www.cechina.cn,它的功率系数和电网的功率系数比较接近。永磁同步电机,过去常常专门用于需要高转速、或者在低转速下具有较高力矩的应用场合。
  现在,由于转速范围大、效率提高,因此在暖通系统(HVAC)中安装使用的永磁同步电机不断增长,这一情况并不鲜见。由于永磁同步电机具有较高的功率系数和效率,因此根据电机的功率而不是电流来选择变频器非常重要。
  在为应用选择永磁同步电机时,非常重要的一点就是要清楚,永磁同步电机需要使用变频器来驱动。某些电机制造商,正在对永磁同步电机的直接启动进行研究,但是到目前为止在市场上还未见其踪影。
  此外,永磁同步电机的运行和感应电机不太一样,因此所选择的变频器需要专门设计的电机控制逻辑。该逻辑需要更强的处理功能,所以只有部分生产商可以在紧凑/微型等级的变频器中提供永磁同步电机控制逻辑。
  某些变频器制造商还需要将特定类型的永磁同步电机置于控制之下(表面磁体或内部磁体);有些制造商已经发现,只用一个控制逻辑控制所有的永磁同步电机比较困难,而其它变频器制造商则能够处理永磁同步电机所面临的挑战而没有任何问题。
  最后,为了发挥永磁同步电机的最大潜力,变频器应该具有电机识别特性(有时被称之为电机ID或电机自动识别),这些特性就是电机运行时的转速区间以及转速曲线上测量的关键点。电机识别特性只能进行静态测量,而不能用于优化变频器的特性,这就导致电机控制水平较低,在低转速时更是如此。
  使用永磁同步电机,可以实现手动调节,但是很大程度上,这只是试验性质的,或有错误的,因为在最好的变频器中,内置的电机识别功能就可以完成调节功能,不要进一步的调节。
  过去,永磁同步电机控制仅是一个闭环/解码反馈事件,而如今开环回路、电机控制逻辑已经取得很大的进步,所以更多基本应用不需要解码反馈来实现更精确和更有效的控制。这样在暖通系统中,就可以更广泛的使用永磁同步电机和变频器,因为暖通系统的电机运行速度比较低;对于感应电机来讲,在低转速情况下,效率一般会降低。
  根据从变力矩泵、风扇等应用中所得到的类似规律,可以推断收回投资的时间大大降低,甚至要少于6-12个月。如果你的应用,要求电机输出转速的变化范围比较大,比如说起重机、卷扬机等,就需要为永磁同步电机配置具有解码反馈的超级变频器。
  同步磁阻电机的变频器选型
  在实际应用中,还需要考虑到一种类型的电机,在市场刚刚出现的同步磁阻电机(SynRM)。永磁同步电机具有较高的效率,而感应电机具有较低的成本;同步磁阻电机的开发,则尝试将两者的优点结合起来。
  同步磁阻电机使用特殊设计的转子来提升电机效率,同时不需使用价格昂贵的稀土材料,而这对于永磁同步电机来讲,则是必须的。 在转子设计中,在转子上面设置了很多空气槽,形成磁阻,从而可以充分利用磁阻的特性,将转子的磁场和静子的磁场统一起来。在四分之一的转子上增加更多的空气槽,这样静子磁场就可以以较小的体积提供较大的牵引力矩。由于空气槽的存在,在转子中就不会形成电流,因此可以较少转子损失,从而使得该种类型的电机,在与变频器配合使用时,可以达到甚至超越超超级效率。
  与永磁同步电机一样,同步磁阻电机电机在运行时,同样需要变频器(VFD),但是为永磁同步电机开发的算法逻辑并不适用于同步磁阻电机。到目前为止,只有很少一部分的变频器制造商已经开发出具有较高效率、适用于同步磁阻电机机器的电机控制逻辑。正是因为这个,非常重要的一点是,当你联系你所选择的变频器生产商,为同步磁阻电机选择变频器时,首先要准确地提供目前正在使用的电机类型。
  另外,既然同步磁阻电机具有较低的功率系数CONTROL ENGINEERING China版权所有,因此所选的变频器应该基于电机的电压和电机的电流,而不是电机的功率,否则的话,变频器可能就没有足够的电流来驱动电机。对于低于300马力的变力矩泵和风机应用,或者开环、常力矩应用场合,同步磁阻电机是理想驱动设备。(作者:Sean Gaffney)
标签:变频器,工业4.0,永磁同步电机,

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