變頻器在電機(jī)啟動(dòng)與調(diào)速中的應(yīng)用淺析

變頻器的容量選擇也不是一個(gè)簡(jiǎn)單問題，不能僅僅以電動(dòng)機(jī)的容量為準(zhǔn)。特別是對(duì)變頻器產(chǎn)生的高次諧波的干擾問題以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的危害要引起重視，對(duì)變頻器產(chǎn)生的不可避免的電路干擾，盡管難以消除，采用適當(dāng)?shù)难b置也是可以抑制的。

隨著現(xiàn)代大功率電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速用的變頻器的性能日新月異，調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率因數(shù)高、操作方便且便于同其他設(shè)備接口等一系列優(yōu)點(diǎn)，使變頻器的應(yīng)用越來越廣泛。

但是，由于變頻技術(shù)發(fā)展快，知識(shí)含量高、技術(shù)復(fù)雜，如何用好變頻器，僅靠知道簡(jiǎn)單的安裝接線，而不了解變頻器的原理及其應(yīng)用技巧，將很難用好變頻器。

現(xiàn)在，很多大型機(jī)械的驅(qū)動(dòng)用到了變頻器，變頻器的使用及維護(hù)己經(jīng)顯得越來越重要了。

一、變頻器的工作原理變頻器主要由主電路和控制電路組成。主電路包括整流電路（工頻電源的交流電變換成直流電且對(duì)直流電進(jìn)行平滑濾波）和逆變電路（直流電變換成各種頻率的交流電）兩部分。控制電路完成對(duì)主電路的控制。

逆變器的工作原理有以下幾個(gè)要點(diǎn)：逆變器是變直流為交流的;逆變電路是整流電路的反版，正好相反;通過改變晶體管的導(dǎo)通時(shí)間來改變出口頻率;逆變器是通過改變晶體管的導(dǎo)通順序來改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的。逆變器的容量受晶體管的容量所限制，這也是變頻技術(shù)的難點(diǎn)。

變頻器控制系統(tǒng)的理解比較復(fù)雜，因?yàn)樽冾l器的控制方式不同，導(dǎo)致輸出的性能也不一樣。

V/F控制常規(guī)的變頻控制方式，電壓與頻率的比率保持不便;簡(jiǎn)單磁通矢量控制是通過把變頻器的輸出電流進(jìn)行矢量計(jì)算劃分為勵(lì)磁電流和扭矩成分電流，然后調(diào)節(jié)電壓使產(chǎn)生的電機(jī)電流與負(fù)載扭矩匹配，從而改變扭矩特性;磁通矢量控制是通過矢量計(jì)算把變頻器的輸出電流劃分為勵(lì)磁電流和扭矩成分電流，然后調(diào)節(jié)電壓使產(chǎn)生的電機(jī)電流與負(fù)載扭矩匹配，從而改變扭矩特性及調(diào)速精度;矢量控制是由編碼器進(jìn)行速度檢測(cè)，且由數(shù)算來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，從而確定電機(jī)的負(fù)載的。

在變頻器的控制電路中，另一個(gè)突出的功能是它的保護(hù)功能，這一點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)很重要。

變頻器具有多種保護(hù)功能，主要的保護(hù)類型有：變頻器的保護(hù)過電流保護(hù)、過電壓、輸出短路、輸出接地故障、瞬間失電故障、欠壓保護(hù)、主電路元器件過熱故障、制動(dòng)元件故障、過載;電機(jī)的過熱保護(hù)過載保護(hù)、外部熱繼電器動(dòng)作;以及其他保護(hù)連接錯(cuò)誤、存儲(chǔ)器故障、重試次數(shù)過多、CPU出錯(cuò)等。

報(bào)警功能包括：錯(cuò)誤操作狀態(tài)報(bào)警、保護(hù)功能預(yù)報(bào)警等電機(jī)直接工頻電源啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)電流一般為額定電流的6―7倍，且電機(jī)的加速啟動(dòng)時(shí)間由負(fù)載特性決定如果變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)與工頻電源啟動(dòng)相似，進(jìn)行直接啟動(dòng)，而變頻器的容量與電機(jī)相同，由于變頻器的啟動(dòng)電流過大而使其出現(xiàn)故障。因此，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須在低頻率狀態(tài)啟動(dòng)，啟動(dòng)電流控制在額定電流的1.5倍左右理工研究與實(shí)踐當(dāng)變頻器接受啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，將輸出啟動(dòng)頻率而使電機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)扭矩。當(dāng)變頻器在啟動(dòng)頻率情況下，電機(jī)的啟動(dòng)扭矩大于負(fù)載的啟動(dòng)扭矩時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。變頻器的輸出頻率將逐步地增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將增加直至穩(wěn)定。變頻器的啟動(dòng)、加速過程完成。

斷開變頻器啟動(dòng)信號(hào)或設(shè)定比輸出頻率低的頻率設(shè)定值，變頻器的輸出頻率根據(jù)設(shè)定的減速時(shí)間逐漸地減少。減速時(shí)，電機(jī)的速度要比與變頻器輸出頻率等效的同頻速度高，電機(jī)會(huì)像發(fā)電機(jī)一樣把能量返回變頻器，這個(gè)過程叫再生。通常電機(jī)工頻供電時(shí)，當(dāng)斷開交流接觸器后，電機(jī)靠負(fù)載扭矩的制動(dòng)力滑動(dòng)到停止;變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，斷開啟動(dòng)信號(hào)不會(huì)立即使電機(jī)滑動(dòng)停止，而按設(shè)定的減速時(shí)間減速到停止。

這兩個(gè)概念也是作為常識(shí)來理解的。變頻器是電源變流器，包含整流器電路和逆變器電路，這些電路都是消耗能量的電路。終有一個(gè)推算效率公式：總效率=變頻器效率x驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率變頻器損耗與電機(jī)損耗由于高次諧波的影響，總損耗要比工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)大。變頻器的功率因數(shù)不能用電壓與電流的簡(jiǎn)單比率來確定，主要是由于高次諧波的影響。研宄功率因數(shù)主要是針對(duì)電流的畸變而言的，改善功率因數(shù)就可以改善電流波形，同時(shí)抑制了高次諧波，減少了干擾。

二、三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與調(diào)速隨著電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速越來越顯得重要。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程的大電流和大沖擊歷來是個(gè)不安全因素，設(shè)計(jì)人員根據(jù)電機(jī)原理給出了一系列的軟啟動(dòng)方法。電動(dòng)機(jī)調(diào)速也一樣，也經(jīng)歷了一個(gè)從調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合調(diào)速等傳統(tǒng)方法到變頻調(diào)速的過程。

電機(jī)轉(zhuǎn)速不僅取決于負(fù)載扭矩，而且取決于電機(jī)的級(jí)數(shù)和供電頻率，F(xiàn)=PN/60，N為同步速度;帶有負(fù)載的電機(jī)轉(zhuǎn)速比電機(jī)的同步速低，轉(zhuǎn)差率表示差別程度;電機(jī)輸出扭矩不是固定不變的，是跟隨著負(fù)載扭矩變化的，電機(jī)轉(zhuǎn)速也是隨負(fù)載變化而變化;電機(jī)電流也是隨負(fù)載變化而變化的，空載電流一般為額定電流的50%，低轉(zhuǎn)速時(shí)電流較大;電機(jī)的額定扭矩不是電機(jī)的輸出扭矩，而是電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所允許的負(fù)載扭矩;2.變頻啟動(dòng)電機(jī)的情況變頻啟動(dòng)電機(jī)時(shí)為了減小啟動(dòng)電流，采用了低頻啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)扭矩也減小，這就是平緩啟動(dòng)。

變頻器啟動(dòng)要注意以下幾個(gè)概念：由于變頻器輸出加到電機(jī)上的電壓的波形，不是正弦波，而是畸波，所以，在額定扭矩下的電機(jī)電流比工頻是多出10%左右，同時(shí)電機(jī)溫度有提高;變頻器輸出的電壓要隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化而變化。因?yàn)橥ㄟ^變頻進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，如電壓不變，電機(jī)的磁通就會(huì)增加（磁飽和）電機(jī)的電流就要增大，電機(jī)過熱，有可能燒毀。

所以為保持磁通為一常數(shù)，電壓要隨頻率的變化而變化;變頻器不能輸出高于供電電源的輸出電壓，所以在高頻時(shí)，輸出電壓是恒定的;引入標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的概念，也就是常說的變頻電機(jī)，是專為變頻器設(shè)計(jì)的，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)按理論可以在120HZ下運(yùn)行三、電動(dòng)機(jī)與變頻器的匹配首先，什么是變頻器的容量，可以從以下幾方面來理解：在電動(dòng)機(jī)提速或恒速時(shí)，變頻器的效能是輸出電流，也就是變頻器能夠給電機(jī)提供多少電流。變頻器這種輸出電流的效能可以由它的額定輸出電流或過載能力來表示;在電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行時(shí)，由于變頻器的減速操作使其驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，能量的流動(dòng)是從電動(dòng)機(jī)流向變頻器，同變頻器提速和恒速運(yùn)行時(shí)相反。變頻器這時(shí)的作用是要消耗這些能量。減速時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)載返回的部分能量由電動(dòng)機(jī)消耗，而其余部分則由變頻器來消耗。

另外，由于電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)負(fù)載返回的能量會(huì)使變頻器的端電壓升高，當(dāng)電壓升高到一特定值時(shí)，就會(huì)又產(chǎn)生再生能量消耗或直接返回到供電電源側(cè)。

選擇變頻器容量時(shí)要注意：首先，變頻器的容量應(yīng)該與其驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的容量相匹配，另外，變頻器的選擇要依據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性、運(yùn)行方式等情況來決定。

然后，再具體的分析就是根據(jù)機(jī)械側(cè)要求的電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速扭矩、減速扭矩、電機(jī)扭矩等，以及電機(jī)電流、電機(jī)的冷卻系數(shù)等檢驗(yàn)項(xiàng)目來確定。其中，重點(diǎn)要適合啟動(dòng)時(shí)扭矩的要求，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)要滿足電動(dòng)機(jī)輸出扭矩大于負(fù)載扭矩;加速過程的扭矩的要求，電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩必須小于電動(dòng)機(jī)加或減速時(shí)的所需負(fù)載扭矩;減速過程的再生制動(dòng)的要求（散熱）電機(jī)的溫升的要求，電機(jī)絕緣的等級(jí)等，變頻器的再生制動(dòng)扭矩由減速時(shí)的電動(dòng)機(jī)損耗和變頻器損耗來確定。這里，在變頻器的具體選擇中要注意以下幾點(diǎn)：為了增加變頻器的加速能力和啟動(dòng)扭矩，可以在變頻器的參數(shù)中加大它的扭矩提升值或增加變頻器的容量;為了增加變頻器的再生制動(dòng)扭矩，以改善變頻器的減速性能，可以采用增加變頻器的容量。

高壓變頻器在杭鋼混鐵爐除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

每座混鐵爐設(shè)有一個(gè)進(jìn)鐵口和一個(gè)出鐵口，傾翻工位相當(dāng)于混鐵爐進(jìn)鐵口。當(dāng)混鐵爐進(jìn)鐵或出鐵時(shí)，高溫的鐵水會(huì)同空氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的煙氣。一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的工人不利，另一方面也對(duì)環(huán)境造成了巨大的污染?；扈F爐多種進(jìn)出鐵工況條件下風(fēng)量隨時(shí)變化，因此該除塵風(fēng)機(jī)需要多種速度來適應(yīng)。在以前的運(yùn)行過程中，由于一方面液力耦合器不能適應(yīng)頻繁的調(diào)速，另一方面原設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)閥門信號(hào)與風(fēng)機(jī)調(diào)速控制分屬兩個(gè)控制系統(tǒng)，兩者之間沒有信號(hào)聯(lián)系。因此原有除塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式基本為恒速運(yùn)行，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速保持在約680rpm 左右，運(yùn)行電流約在150A，僅通過現(xiàn)場(chǎng)閥門及爐蓋開啟來達(dá)到除塵效果，同時(shí)為防止閥門全部關(guān)閉造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)過大，其中一臺(tái)大包倒小包閥門始終打開，大量風(fēng)量直接排空，導(dǎo)致大量有功功率浪費(fèi)。此外液力耦合器低速運(yùn)行時(shí)效率低下，為了提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)能降耗，必須對(duì)風(fēng)機(jī)調(diào)速控制進(jìn)行改進(jìn)。

采用高-高電壓源型，單元串聯(lián)多電平技術(shù)。電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器給功率單元供電，1600kW/6kV高壓變頻器每相由5個(gè)功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓*高可達(dá)3500V，線電壓達(dá)6kV左右。每個(gè)功率單元承受全部的電機(jī)電流，但只提供1/5相電壓和1/15的輸出功率，為單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。

我國變頻器的發(fā)展態(tài)勢(shì)

我國變頻器的發(fā)展態(tài)勢(shì)

交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電動(dòng)機(jī)調(diào)速的潮流,它以體積小、質(zhì) 量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性好、操作簡(jiǎn)便和便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式,如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、整流子電動(dòng)機(jī)調(diào) 速、液力耦合調(diào)速乃至直流調(diào)速.因而在鋼鐵、有色金屬、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用.目前,日本的m牌變頻器進(jìn)入中國,占據(jù)變頻器主要市場(chǎng),歐美變頻器也大量進(jìn)入中國,占領(lǐng)變頻器重要市場(chǎng),臺(tái)灣地區(qū)變頻器在大 陸也占有一席之地.21世紀(jì),國產(chǎn)變頻器大發(fā)展,以長(zhǎng)三角、珠三角為主,全國約有百家.國產(chǎn)變頻器生產(chǎn)廠27家,是變頻器生產(chǎn)發(fā)達(dá)地區(qū).

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?變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)節(jié)能的j選擇

　　由于全國各省市城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，近年來出現(xiàn)嚴(yán)重缺電缺水現(xiàn)象。許多城市出現(xiàn)限電限水現(xiàn)象。國家出巨資進(jìn)行大規(guī)模的給水排水工程建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，全國城市每天缺水2000萬m3，每天排放污水量約1億m3，我國每年新建擴(kuò)建的水廠近600萬m3/d，污水處理廠的處理能力將達(dá)到700萬m3/d左右。

　　在給排水工程的建設(shè)和管理運(yùn)行中，設(shè)備運(yùn)行管理費(fèi)用很高，其中水廠的電耗約占50％。大多數(shù)新建的FCS、DCS、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，造成許多資源的消費(fèi)。有許多廠站存在的缺陷，變電站位置不合理，配電電纜太多太長(zhǎng)，變壓器等設(shè)備選擇不合理，特別是水泵機(jī)組選擇不合理，工藝流程總體布局不合理，使給水排水系統(tǒng)的電耗居高不下。給排水廠運(yùn)行管理，應(yīng)從工藝流程及其配套用電設(shè)備的變配電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、水泵機(jī)組系統(tǒng)的三方向進(jìn)行重點(diǎn)研究，要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標(biāo)準(zhǔn)，即從每噸水的投資到運(yùn)行的j的代價(jià)做文章。在這里，單就水泵機(jī)組的j節(jié)能技術(shù)選擇進(jìn)行分析和研究。