摘要：本文結合我司GD5000系列四象限高壓變頻器在山東某公司電機對拖平臺上的應用情況，闡述了我司兩象限和四象限變頻器在大功率同步電機上的應用特點。

關鍵詞：永磁同步電機四象限參數自學習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生產為主的企業，其依靠山東礦大的學術環境以及技術氛圍，在皮帶機、傳輸機方面有著不錯的建樹。近期開始進軍高極對數的永磁同步電機驅動領域，特別是在高壓永磁同步電機方面，目前已經成功完成10KV 30對極的永磁同步電機項目，主要應用在皮帶機上可以直接驅動皮帶機，省掉皮帶機的變速箱，從而節省體積。

本文主要結合深圳英威騰高壓變頻器在其加載系統上的實際應用情況，對高壓變頻器在永磁同步電機上的應用特點和注意事項進行簡要介紹。

二、項目介紹

該公司為了測試電機以及變頻器，做了一個對拖實驗平臺；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：

基本試驗原理如下：

QF1合閘，電網電源經10KV母線提供試驗電源，兩象限變頻器給拖動電動機M1供電，其同軸聯接的電機M2經四象限站用變頻器聯接至電網。負載電機M2及四象限站用變頻器采用成熟的技術，具備預置轉矩功能。聯接試驗系統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行試驗。試驗回路如下：

供電電源10KV母線→兩象限變頻器→輸出開關柜→M1→M2→輸出開關柜→四象限限變頻器→回饋10KV母線，此時系統由電網吸取能量僅為所有參與、被試設備的損耗。

三、變頻器應用情況

1. 調試項目

1） 參數自學習。

說明：此項目是為了測試電機生產與設計值是否相符和，針對對象為電機。

2） 空載測試。

3） 采用盤式制動器加載測試。

說明：此項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：此項目主要測試變頻器的轉矩控制性能、變頻器的過載能力、電機的過載能力、溫升。

5） 測試不同頻率下電機的恒轉矩特性曲線。

說明：此項目主要針對電機的項目。

6） 測試電機的弱磁能力、變頻器的弱磁控制能力。

2. 實驗情況

2.1 概述

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

電機有正常工作狀態和弱磁狀態，電機一旦進入弱磁狀態變頻器輸出電壓不再改變，一般為電機額定電壓。而電機電流增大，超過額定電流，速度增大時電磁轉矩減小，電機功率為恒功率，所以有人把弱磁調速又叫做恒功率調速。

弱磁狀態最直接的現象是電機的反電動勢高于變頻器輸出的電壓。電機進入弱磁后，變頻器必須也要進入弱磁控制狀態，即通過對電機的Id和Iq進行調節，控制Id<0,使q軸上的感生電勢變小，使電機轉速達到額定轉速以上運行，一般適用于基頻以上的恒功率調速。

2.2 實驗步驟

永磁同步電機的調試步驟分為參數自學習、尋找磁極位置、啟動三大步：

2.2.1 參數自學習

對于同步電機，首先要進行參數自學習，學習的內容有定子電阻、定子交軸電感（或稱q軸）、直軸電感（或稱d軸）、反電動勢。參數自學習的準確與否直接關系到變頻器的輸出電壓是否準確。

原理： 

其中，Id和Iq為變頻器實際可以控制的量，Xd、Xq為電機的直軸、交軸電感，為電機固有參數。U為電機的反電動勢，ra為電機的定子繞組。

自學習方法：動態自學習方式。

現場參數自學習的結果比較：

項目	設計值	實測值
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

同步電機的控制方式有V/F控制、開環矢量控制和閉環矢量控制。

首先，不管采用哪種控制方式，變頻都必須先找電機的初始磁極位置，具體方法：變頻器發一串脈沖群到電機定子繞組，推算出轉子磁極位置和方向。磁極位置和方向找不準的直接影響為：在電機啟動時，電機會先反轉一定的角度，然后在正轉。此種情況在負載比較特殊的場合是不允許的，如在礦井提升機、皮帶機上，若沒有止逆裝置，電機反轉很有可能出現溜溝現象。

采用V/F控制時，需使用多點V/F功能，根據電機反電動勢的情況調節V/F曲線，使變頻器在每個頻率段都能輸出準確的電壓。

采用V/F控制方式場合：對于啟動力矩無特殊要求的場合，V/F模式啟動力矩比較小，控制精度不高，在啟動時電機會出現抖動現象，在啟動成功后，若負載發生突變，則容易出現電機失步現象。變頻器輸出電壓太高，電機容易出現失調，變頻器輸出電壓太低，則變頻器容易報故障。

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

采用開環矢量控制時，負載的突變也可能導致電機失步或者是輸出力矩達不到要求。此時需要調節速度環和電流環參數。速度環參數是調節速度響應時間的參數，與系統的慣性有密切的聯系，參數設置不準確容易引起系統震蕩，電流環是調節變頻器輸出力矩的參數，這兩個參數都是經驗值，根據負載的不同、電機功率的不同，需進行多次試驗選取一個最佳值。

采用閉環矢量控制場合：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）。采用閉環矢量控制時所有的電機參數如轉速、位置信號都由編碼器來采集和傳輸，所以變頻器無需參數自學習。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點

1、可以準確檢測出轉子位置，保證啟動過程中不會出現失步狀態。

2、 穩定輸出指定頻率和電壓，根據不同工藝情況快速進入同步狀態

3、通過鎖相環技術，可以控制裝置的輸出電壓和電網電壓在指定范圍內（相位差<0.1°，頻差<0.01hz，幅值差<150V）  

4、裝置通過系統保護和硬件電路保護能很好的保護整個裝置起動中的各種風險，能及時分斷高壓，并保護裝置器件以及同步電機。

五、現場應用照片

圖1 現場對拖電機

圖2 現場變頻器

六、結束語

永磁同步電動機由于其體積小、重量輕、高效節能等一系列優點，是當今社會的低碳電機，已越來越引起人們重視，由于同步電機的運行特性和其控制技術日趨成熟，異步電動機正逐步被永磁同步電動機調速系統所取代。隨著同步電機的大量應用，對變頻調速的控制功能和性能也將有更高的要求。通過本項目證明，英威騰GD5000系列高壓變頻器能很好的滿足生產驅動要求外，還能提高整個電網的功率因數，大大提高能源利用率。

參考文獻：

【1】《GD5000系列高壓變頻器產品說明書》深圳市英威騰電氣股份有限公司

【2】陳榮《永磁同步電機控制系統》中國水利水電出版社2009-01出版