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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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變頻器調(diào)速裝置使用淺析

變頻器調(diào)速裝置使用淺析

2014/3/14 14:03:20

摘 要:簡述了變頻器的工作原理和基本性能,并且對變頻器應(yīng)用和選型過程中的注意事項(xiàng)以及如何根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)來確定選用變頻器的型號進(jìn)行了較詳細(xì)的說明。 關(guān)鍵詞:變頻器;負(fù)載性質(zhì);諧波抑制;型號 Brier Analysis on Frequency Converter Speed Regulating DeviceAbstract:This paper briefly describes the working principle and fundamental performance of frequency converter,alse the attention points in frequency converter application and type selection process,and how to select a proper frequency converter type according to specific characteristics of load. Key words:frequency converter;load characteristics;harmonic suppression;type   異步電動機(jī)是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備,其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化,大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié),而電動機(jī)消耗的能量變化不大,從而造成很大的能量損耗。近年來,隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛,使用變頻器對電動機(jī)電源進(jìn)行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。 1 變頻調(diào)速原理     n=60 f(1-s)/p (1)   式中 n———異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速;      f———異步電動機(jī)的頻率;      s———電動機(jī)轉(zhuǎn)差率;      p———電動機(jī)極對數(shù)。   由式(1)可知,轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,當(dāng)頻率f在0~50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí),電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。   變頻器主要采用交—直—交方式,先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器,逆變部分為IGBT三相橋式逆變器,且輸出為PWM波形,中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 2 諧波抑制   變頻器使用的突出問題就是諧波干擾,當(dāng)變頻器工作時(shí),輸出電流的諧波電流會對電源造成干擾。雖然各變頻器廠家對變頻器諧波的治理均采取了措施且基本達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求,但諧波仍然是變頻器選型和使用中最需要關(guān)注的問題。   變頻器的輸出電壓中含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機(jī)負(fù)載影響較大,引起轉(zhuǎn)矩脈動,而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加,使電機(jī)出力不足,故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。   由于變頻器的整流部分采用二極管不可控橋式整流電路,中間濾波部分采用大電容作為濾波器,所以整流器的輸入電流實(shí)際上是電容器的充電電流,呈較陡的脈沖波,其諧波分量較大。為了消除諧波,主要采用以下對策:   a.增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗 通常情況下,電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對變頻器容量越小,內(nèi)阻抗值相對越大,諧波含量越小;電源容量相對變頻器容量越大,則內(nèi)阻抗值相對越小,諧波含量越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時(shí),最好選擇短路阻抗大的變壓器。     b.安裝電抗器 安裝電抗器實(shí)際是從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)或變頻器的直流側(cè)安裝電抗器或同時(shí)安裝,可抑制諧波電流。   c.變壓器多相運(yùn)行 通常變頻器的整流部分是6脈波整流器,所以產(chǎn)生的諧波較大。應(yīng)用變壓器的多相運(yùn)行,如使相位角互差30?的Y-△、△-△組合的2臺變壓器構(gòu)成相當(dāng)于12脈波整流器,則可減小諧波電流,起到諧波抑制作用。   d.調(diào)節(jié)變頻器的載波比 提高變頻器載波比,可有效抑制低次諧波。   e.應(yīng)用濾波器 濾波器可檢測變頻器諧波電流的幅值和相位,并產(chǎn)生與諧波電流幅值相同、相位相反的電流,從而有效地吸收和消除諧波電流。 3 負(fù)載的匹配 3.1 平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載   風(fēng)機(jī)類、泵類負(fù)載是工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最多的設(shè)備,變頻器在這類負(fù)載上的應(yīng)用最多。它是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。一般情況下,具有U/f=const控制模式的變頻器基本都能滿足這類負(fù)載的要求,下面根據(jù)這類變頻器的主要特點(diǎn)介紹選型時(shí)需要注意的問題。 3.1.1 避免過載   風(fēng)機(jī)和水泵一般不容易過載,選擇變頻器的容量時(shí)保證其稍大于或等于電動機(jī)的容量即可;同時(shí)選擇的變頻器的過載能力要求也較低,一般達(dá)到120%,1min即可。但在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時(shí)應(yīng)注意,由于負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比,當(dāng)工作頻率高于電動機(jī)的額定頻率時(shí),負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩會超過額定轉(zhuǎn)矩,使電動機(jī)過載。所以,要嚴(yán)格控制最高工作頻率不能超過電機(jī)額定頻率。 3.1.2 啟/停時(shí)變頻器加速時(shí)間與減速時(shí)間的匹配  由于風(fēng)機(jī)和泵的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比較大,其啟動和停止時(shí)與變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間匹配是一個(gè)非常重要的問題。在變頻器選型和應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)負(fù)荷參數(shù)計(jì)算變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間來選擇最短時(shí)間,以便在變頻器啟動時(shí)不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時(shí)不發(fā)生過電壓跳閘的情況。但有時(shí)在生產(chǎn)工藝中,對風(fēng)機(jī)和泵的啟動時(shí)間要求很嚴(yán)格,如果上述計(jì)算的時(shí)間不能滿足需求時(shí),應(yīng)該對變頻器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)選型。 3.1.3 避免共振   由于變頻器是通過改變電動機(jī)的電源頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果的,就有可能在某一電機(jī) 轉(zhuǎn)速下與負(fù)荷軸系的共振點(diǎn)、共振頻率重合,造成負(fù)荷軸系不能容忍的振動,有時(shí)會造成設(shè)備停運(yùn)或設(shè)備損壞,所以在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時(shí),應(yīng)根據(jù)負(fù)荷軸系的共振頻率,通過設(shè)定跳躍頻率點(diǎn)和寬度,避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。 3.1.4 憋壓與水錘效應(yīng)   泵類負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過程中,容易發(fā)生憋壓和水錘效應(yīng),所以變頻器選型時(shí),在功能設(shè)定時(shí)要針對這個(gè)問題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。   a.憋壓 泵類負(fù)載在低速運(yùn)行時(shí),由于關(guān)閉出口門使壓力升高,從而造成泵汽蝕。在變頻器功能設(shè)定時(shí),通過限定變頻器的最低頻率來限定泵流量的臨界點(diǎn)最低轉(zhuǎn)速,可避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。   b.水錘效應(yīng) 泵類負(fù)載在突然斷電時(shí),由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴(yán)或沒有逆止閥,將導(dǎo)致電機(jī)反轉(zhuǎn),因電機(jī)發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障或燒壞。在變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)使變頻器按減速曲線停止,在電機(jī)完全停止后再斷開主電路,或者設(shè)定“斷電減速停止”功能,可避免該現(xiàn)象的發(fā)生。 3.2 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載   帶式輸送機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的典型例子。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的基本特點(diǎn)為,在負(fù)荷一定的情況下,負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩取決于皮帶與滾筒間的磨擦阻力和滾筒的半徑。這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān),所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中,負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩保持不變。   恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí),除了按常規(guī)要求外,應(yīng)對變頻器的控制方式進(jìn)行選擇。   a.負(fù)荷的調(diào)速范圍。在調(diào)速范圍不大的情況下,選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器。當(dāng)調(diào)速范圍很大時(shí),應(yīng)考慮采用有反饋的矢量控制方式?! ?  b.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載只是在負(fù)荷一定的情況下負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩是不變的,但對于負(fù)荷變化時(shí)其轉(zhuǎn)距仍然隨負(fù)荷變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩變動范圍不大時(shí),可選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器,但對于轉(zhuǎn)矩變動范圍較大的負(fù)載,應(yīng)考慮采用無反饋的矢量控制方式。   c.如果負(fù)載對機(jī)械特性的要求不高,可考慮選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器,而在要求較高的場合,則必須采用有反饋的矢量控制方式。 4 結(jié)束語   以上是作者在變頻器選型及應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn),供有關(guān)人員在變頻器選購和應(yīng)用時(shí)參考。隨著變頻器的高智能化、高可靠性、低價(jià)格和免維護(hù),變頻器節(jié)能降耗的作用會更加明顯。

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