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變頻器在電機啟動與調(diào)速中的應(yīng)用淺析

變頻器的容量選擇也不是一個簡單問題，不能僅僅以電動機的容量為準(zhǔn)。特別是對變頻器產(chǎn)生的高次諧波的干擾問題以及對現(xiàn)場的危害要引起重視，對變頻器產(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，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，知識含量高、技術(shù)復(fù)雜，如何用好變頻器，僅靠知道簡單的安裝接線，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，很多大型機械的驅(qū)動用到了變頻器，變頻器的使用及維護己經(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直流電進行平滑濾波）和逆變電路（直流電變換成各種頻率的交流電）兩部分。控制電路完成對主電路的控制。

逆變器的工作原理有以下幾個要點：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。

變頻器控制系統(tǒng)的理解比較復(fù)雜，因為變頻器的控制方式不同，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;簡單磁通矢量控制是通過把變頻器的輸出電流進行矢量計算劃分為勵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算把變頻器的輸出電流劃分為勵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行速度檢測，且由數(shù)算來確定電機的轉(zhuǎn)速差，從而確定電機的負(fù)載的。

在變頻器的控制電路中，另一個突出的功能是它的保護功能，這一點對現(xiàn)場使用維護很重要。

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

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

斷開變頻器啟動信號或設(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)定的減速時間逐漸地減少。減速時，電機的速度要比與變頻器輸出頻率等效的同頻速度高，電機會像發(fā)電機一樣把能量返回變頻器，這個過程叫再生。通常電機工頻供電時，當(dāng)斷開交流接觸器后，電機靠負(fù)載扭矩的制動力滑動到停止;變頻驅(qū)動時，斷開啟動信號不會立即使電機滑動停止，而按設(shè)定的減速時間減速到停止。

這兩個概念也是作為常識來理解的。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。終有一個推算效率公式：總效率=變頻器效率x驅(qū)動電機效率變頻器損耗與電機損耗由于高次諧波的影響，總損耗要比工頻驅(qū)動時大。變頻器的功率因數(shù)不能用電壓與電流的簡單比率來確定，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，同時抑制了高次諧波，減少了干擾。

二、三相異步電動機啟動與調(diào)速隨著電動機的廣泛應(yīng)用，電機的啟動和調(diào)速越來越顯得重要。電動機的啟動過程的大電流和大沖擊歷來是個不安全因素，設(shè)計人員根據(jù)電機原理給出了一系列的軟啟動方法。電動機調(diào)速也一樣，也經(jīng)歷了一個從調(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。

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

變頻器啟動要注意以下幾個概念：由于變頻器輸出加到電機上的電壓的波形，不是正弦波，而是畸波，所以，在額定扭矩下的電機電流比工頻是多出10%左右，同時電機溫度有提高;變頻器輸出的電壓要隨電機的轉(zhuǎn)速的變化而變化。因為通過變頻進行電機調(diào)速，如電壓不變，電機的磁通就會增加（磁飽和）電機的電流就要增大，電機過熱，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，輸出電壓是恒定的;引入標(biāo)準(zhǔn)電機的概念，也就是常說的變頻電機，是專為變頻器設(shè)計的，標(biāo)準(zhǔn)電機按理論可以在120HZ下運行三、電動機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：在電動機提速或恒速時，變頻器的效能是輸出電流，也就是變頻器能夠給電機提供多少電流。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;在電動機減速運行時，由于變頻器的減速操作使其驅(qū)動的電動機變成了發(fā)電機，能量的流動是從電動機流向變頻器，同變頻器提速和恒速運行時相反。變頻器這時的作用是要消耗這些能量。減速時電動機負(fù)載返回的部分能量由電動機消耗，而其余部分則由變頻器來消耗。

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

選擇變頻器容量時要注意：首先，變頻器的容量應(yīng)該與其驅(qū)動的電動機的容量相匹配，另外，變頻器的選擇要依據(jù)電動機的負(fù)載特性、運行方式等情況來決定。

然后，再具體的分析就是根據(jù)機械側(cè)要求的電機轉(zhuǎn)速、加速扭矩、減速扭矩、電機扭矩等，以及電機電流、電機的冷卻系數(shù)等檢驗項目來確定。其中，重點要適合啟動時扭矩的要求，電動機啟動點要滿足電動機輸出扭矩大于負(fù)載扭矩;加速過程的扭矩的要求，電動機的輸出扭矩必須小于電動機加或減速時的所需負(fù)載扭矩;減速過程的再生制動的要求（散熱）電機的溫升的要求，電機絕緣的等級等，變頻器的再生制動扭矩由減速時的電動機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：為了增加變頻器的加速能力和啟動扭矩，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)機上的應(yīng)用

每座混鐵爐設(shè)有一個進鐵口和一個出鐵口，傾翻工位相當(dāng)于混鐵爐進鐵口。當(dāng)混鐵爐進鐵或出鐵時，高溫的鐵水會同空氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的煙氣。一方面對現(xiàn)場操作的工人不利，另一方面也對環(huán)境造成了巨大的污染。混鐵爐多種進出鐵工況條件下風(fēng)量隨時變化，因此該除塵風(fēng)機需要多種速度來適應(yīng)。在以前的運行過程中，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)計現(xiàn)場閥門信號與風(fēng)機調(diào)速控制分屬兩個控制系統(tǒng)，兩者之間沒有信號聯(lián)系。因此原有除塵風(fēng)機運行方式基本為恒速運行，其運行轉(zhuǎn)速保持在約680rpm 左右，運行電流約在150A，僅通過現(xiàn)場閥門及爐蓋開啟來達到除塵效果，同時為防止閥門全部關(guān)閉造成風(fēng)機振動過大，其中一臺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。此外液力耦合器低速運行時效率低下，為了提高風(fēng)機的運行效率，節(jié)能降耗，必須對風(fēng)機調(diào)速控制進行改進。

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個功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓*高可達3500V，線電壓達6kV左右。每個功率單元承受全部的電機電流，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)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。

我國變頻器的發(fā)展態(tài)勢

我國變頻器的發(fā)展態(tài)勢

交流電動機變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電動機調(diào)速的潮流,它以體積小、質(zhì) 量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強、可靠性好、操作簡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、串級調(diào)速、整流子電動機調(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牌變頻器進入中國,占據(jù)變頻器主要市場,歐美變頻器也大量進入中國,占領(lǐng)變頻器重要市場,臺灣地區(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。國家出巨資進行大規(guī)模的給水排水工程建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計及預(yù)測，全國城市每天缺水2000萬m3，每天排放污水量約1億m3，我國每年新建擴建的水廠近600萬m3/d，污水處理廠的處理能力將達到700萬m3/d左右。

　　在給排水工程的建設(shè)和管理運行中，設(shè)備運行管理費用很高，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)也不能進行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，造成許多資源的消費。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，變壓器等設(shè)備選擇不合理，特別是水泵機組選擇不合理，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)計系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、水泵機組系統(tǒng)的三方向進行重點研究，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行的j的代價做文章。在這里，單就水泵機組的j節(jié)能技術(shù)選擇進行分析和研究。