变频调速系统设计中问题分析（1）
摘要：文中分析了变频调速系统的效率，阐述了变频调速系统中的变频器容量及电动机的选择原则，并对系统实际应用中的问题提出改进措施。
关键词：效率分析 系统设计 改善措施
1.概述
交流变频调速技术发展至今已有30多年的历史,由低压变频器构成的交流调速系统,因其技术上的不断创新,使系统在性能上不断地完善,并在电气传动调速领域挑战直流调速系统，因此在电气传动领域得以广泛的应用。变频技术的理论早已成熟，因受当时电力电子器件发展水平的制约，使得该项技术未能得以广泛的推广应用，但随着科学技术的进步和新的电力电子器件的不断创新，新的技术层出不穷使得其得以广泛的推广应用，采用交流变频调速系统已是电气传动调速领域的发展趋势。这是因为交流调速系统无论是在性能上，还是在价格上都优于直流系统。特别是在中压大功率（315KW以上）领域。为实现交流电动机的变频调速，人们提出了多种形式和多种拓扑结构，比较实用并以产品化的变频器，按其主接线可分为交—交方式（也称循环变流器）和交—直—交方式两大类。而交—直—交方式按中间直流滤波环节的不同，在交—直—交变频领域中又可分为电流源型、三电平PWM电压源型（也称Netural Point Clamped中点嵌位）方式、单元串联多电平PWM电压源型。变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新和电力电子器件及材料的开发器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是在高压大容量GTO、IGBT、IGCT器件的开发成功，促进了变频技术得以迅速发展，以使得变频技术技术性能日益完善。
2.变频调速系统的效率分析
2.1变频器的效率与损耗
变频器效率是指其本身变换效率。就变频器的两种形式而言。交—交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交—直—交的，其工作原理是先把工频交流电通过整流器变换成直流，然后用逆变器再变换成所需频率的交流电。所以变频器的损耗有三部分组成，整流损耗约占40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗力量小，根据文献[1]提供资料，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4%—96%，随着变频器功率增大而得以提高。
2.2变频调速后电动机效率的变化
变频调速后，电动机的各种损耗和效率均有所变化，根据电机学理论，电动机的损耗可分为铁芯损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。
2.2.1铁芯中的磁滞损耗表达式为：
Pn=σn（f/50）(B/10000)nGc
说明磁滞损耗与磁滞损耗系数σn、铁芯中磁通密度B、铁芯重量Gc及电源频率f有关。
由风机和泵类理论，其流量Q与所需电动机轴功率P与转速n 的关系为：
Q∝n ;P∝n3;P∝Q3
变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少速度慢，损耗所占比例有所提高。
2.2.2涡流损耗
Pe∝af2
2.2.3轴承摩擦损耗：Pz∝f1.5
2.2.4风阻损耗：Pf∝f3
2.2.5定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率f没有直接关系，但高次谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。
2.2.6杂散损耗及附加损耗：
不论何种形式的变频器，变频后除基波外，都会出现谐波，如比较多见的正弦波变频器（PWM），其载波频率高达几千至十几千赫兹，这些附加的高次谐波，许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外高次谐波也会增加涡流损耗。综上所述，变频调速后，电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。