變頻器調(diào)速裝置使用淺析
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，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，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，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保證其稍大于或等于電動機(jī)的容量即可；同時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，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/停時變頻器加速時間與減速時間的匹配
由于風(fēng)機(jī)和泵的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比較大，其啟動和停止時與變頻器的加速時間和減速時間匹配是一個非常重要的問題。在變頻器選型和應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷參數(shù)計算變頻器的加速時間和減速時間來選擇最短時間，以便在變頻器啟動時不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時不發(fā)生過電壓跳閘的情況。但有時在生產(chǎn)工藝中，對風(fēng)機(jī)和泵的啟動時間要求很嚴(yán)格，如果上述計算的時間不能滿足需求時，應(yīng)該對變頻器進(jìn)行重新設(shè)計選型。
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，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，在功能設(shè)定時要針對這個問題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。
a.憋壓 泵類負(fù)載在低速運(yùn)行時，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，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，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)計時，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，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，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)荷變化時其轉(zhuǎn)距仍然隨負(fù)荷變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩變動范圍不大時，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，供有關(guān)人員在變頻器選購和應(yīng)用時參考。隨著變頻器的高智能化、高可靠性、低價格和免維護(hù)，變頻器節(jié)能降耗的作用會更加明顯。