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技術知識
變頻器調速裝置使用淺析

發布時間：2017-03-06

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發布人：未知

    異步電動機是電力、化工等生產企業最主要的動力設備。作為高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調節，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。近年來，隨著變頻器生產技術的成熟以及變頻器應用范圍的日益廣泛，使用變頻器對電動機電源進行技術改造成為各企業節能降耗、提高效率的重要手段。
　　1　變頻調速原理
　　n＝60 f(1－s)/p (1)
　　式中　n———異步電動機的轉速；
　　f———異步電動機的頻率；
　　s———電動機轉差率；
　　p———電動機極對數。
　　由式(1)可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻調速就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的。
　　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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、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，中間直流環節為濾波、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到國家標準要求，但諧波仍然是變頻器選型和使用中最需要關注的問題。
　　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負載影響較大，引起轉矩脈動，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阻抗　通常情況下，電源設備的內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。這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小，內阻抗值相對越大，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　安裝電抗器實際是從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側或變頻器的直流側安裝電抗器或同時安裝，可抑制諧波電流。
　　c.變壓器多相運行　通常變頻器的整流部分是6脈波整流器，所以產生的諧波較大。應用變壓器的多相運行，如使相位角互差30°的Y－△、△－△組合的2臺變壓器構成相當于12脈波整流器，則可減小諧波電流，起到諧波抑制作用。
　　d.調節變頻器的載波比　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　負載的匹配
　　3.1　平方轉矩負載
　　風機類、泵類負載是工業現場應用最多的設備，變頻器在這類負載上的應用最多。它是一種平方轉矩負載。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載的要求，下面根據這類變頻器的主要特點介紹選型時需要注意的問題。
　　3.1.1　避免過載
　　風機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，一般達到120％，1min即可。但在變頻器功能參數選擇和預置時應注意，由于負載的阻轉矩與轉速的平方成正比，當工作頻率高于電動機的額定頻率時，負載的阻轉矩會超過額定轉矩，使電動機過載。所以，要嚴格控制最高工作頻率不能超過電機額定頻率。
　　3.1.2　啟/停時變頻器加速時間與減速時間的匹配
　　由于風機和泵的負載轉動慣量比較大，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。在變頻器選型和應用時，應根據負荷參數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生過流跳閘和變頻器減速時不發生過電壓跳閘的情況。但有時在生產工藝中，對風機和泵的啟動時間要求很嚴格，如果上述計算的時間不能滿足需求時，應該對變頻器進行重新設計選型。
　　3.1.3　避免共振
　　由于變頻器是通過改變電動機的電源頻率來改變電機轉速實現節能效果的，就有可能在某一電機 轉速下與負荷軸系的共振點、共振頻率重合，造成負荷軸系不能容忍的振動，有時會造成設備停運或設備損壞，所以在變頻器功能參數選擇和預置時，應根據負荷軸系的共振頻率，通過設定跳躍頻率點和寬度，避免系統發生共振現象。
　　3.1.4　憋壓與水錘效應
　　泵類負載在實際運行過程中，容易發生憋壓和水錘效應，所以變頻器選型時，在功能設定時要針對這個問題進行單獨設定。
　　a.憋壓　泵類負載在低速運行時，由于關閉出口門使壓力升高，從而造成泵汽蝕。在變頻器功能設定時，通過限定變頻器的最低頻率來限定泵流量的臨界點最低轉速，可避免此類現象的發生。
　　b.水錘效應　泵類負載在突然斷電時，由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴或沒有逆止閥，將導致電機反轉，因電機發電而使變頻器發生故障或燒壞。在變頻器系統設計時，應使變頻器按減速曲線停止，在電機完全停止后再斷開主電路，或者設定“斷電減速停止”功能，可避免該現象的發生。
　　3.2　恒轉矩負載
　　帶式輸送機是恒轉矩負載的典型例子。恒轉矩負載的基本特點為，在負荷一定的情況下，負載阻轉矩取決于皮帶與滾筒間的磨擦阻力和滾筒的半徑。這類負載轉矩和轉速的快慢無關，所以在調節轉速過程中，負載的阻轉矩保持不變。
　　恒轉矩負載在選擇變頻調速系統時，除了按常規要求外，應對變頻器的控制方式進行選擇。
　　a.負荷的調速范圍。在調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。當調速范圍很大時，應考慮采用有反饋的矢量控制方式。
　　b.恒轉矩負載只是在負荷一定的情況下負載阻轉矩是不變的，但對于負荷變化時其轉距仍然隨負荷變化。當轉矩變動范圍不大時，可選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器，但對于轉矩變動范圍較大的負載，應考慮采用無反饋的矢量控制方式。
　　c.如果負載對機械特性的要求不高，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。

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