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水泥厂变频器应用中的问题及对策

2018-02-26 浏览次数: 来源:

水泥厂变频器应用中的问题及对策

变频器

2006-11-15 14:34:00.0  来源:liqian



    摘要:具有优良的控制性能,而且在许多生产场合具有显著的节能效果。    随着计算机技术和电力电子技术的发展,通用变频器的应用也得到了迅猛发展。由于交流电动机结构简单,坚固耐用、无需换向装置,可适用于各种工作环境,所以以通用变频器为核心的交流调速系统得到了广泛应用。采用变频器调速可以提高机械的控制精度、生产效率和产品质量,有利于实现生产过程的自动化,使交流拖动系统具有优良的控制性能,而且在许多生产场合具有显著的节能效果。      1 变频器的节能原理   当今电动机消耗的电能约占工业电耗的65%,风机、泵类设备年耗电量占全国电力消耗的30%。造成这种状况的主要原因是:风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当风机转速从n变到n′,风量Q、风压H及轴功率P的变化关系:Q′=Q(n′/n);H′=H(n′/n)2;P′=P(n′/n)3。风量与转速成正比,风压H与转速的二次方成正比,轴功率与转速三次方成正比。所以,当所要求的风量Q减少时,可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时,电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低,比调节挡板、阀门节能40%~50%,从而达到节电的目的。      2 运行中的问题及对策    目前,通用变频器以其智能化、数字化、网络化等优点越来越受到用户的青睐。随着通用变频器应用范围的扩大,运行中出现的问题越来越多,主要有以下几方面:谐波、振动与噪声、负载匹配、发热等问题。     2.1 谐波及其抑制对策    通用变频器的主电路形式一般由三部分组成:整流部分、逆变部分、滤波部分。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变器部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形。输出电压中含有除基波以外的其他谐波。较低次谐波通常对电机负载影响较大,引起转矩脉动,而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加,使电动机出力不足,故变频器输出的高低次谐波都必须抑制,可以采用以下方法抑制谐波。      2.1.1 增加变频器供电电源内阻抗   通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用,内阻抗越大,谐波含量越小,这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时,最好选择短路阻抗大的变压器。      2.1.2 安装电抗器   在变频器的输入端和输出端串接合适的电抗器(A?鄄CL),使整流阻抗增大,可以抑制高次谐波电流。      2.1.3 采用变压器多相运行   通用变频器为六脉冲波整流器,因此产生的谐波较大。如果利用变压器二次绕组接法的不同,使两组三相交流电源间相位错开30°。整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法,整流电路的脉波数由6脉波提高到12脉波,可减小低次谐波电流,更好地抑制低次谐波。      2.2 噪声与振动及其对策   用变频器进行电动机调速运转时,将产生噪声和振动,这是变频器输出波形中含有高次谐波分量所产生的影响。随着运转频率的变化,基波分量、谐波分量也在很大范围内变化,因此电动机各部分的谐波增加。      2.2.1 噪声问题及对策   电动机的噪声大体有通风噪声、电磁噪声和机械噪声三种。    变频器传动时,由于输出电压、电流中含有谐波分量,气隙的谐波磁通增加,所以噪声变大。其特征如下:由于变频器输出较低的谐波频率与转子固有频率的共振,导致在转子固有频率附近的噪声增大;由于变频器输出的谐波分量使铁心、机壳、轴架等谐波,导致在其固有频率附近的噪声增大。    为了抑制变频器传动引起的噪声,特别是刺耳的噪声与PWM控制的开关频率有关,尤其在低频区更为显著。一般采用以下措施平抑和减少噪声:在变频器输出侧连接交流电抗器。如果转矩有余量,将U/f值定小些,并可采用特殊电动机(对噪声采取了措施)等。      2.2.2 振动问题及对策   电动机振动的原因可分为电磁与机械两种。    电磁原因引起的振动表现为:由于较低次的谐波分量与转子的谐振,其固有频率附近的振动分量增加;由于谐波产生的脉动转矩的影响发生振动。特别是当脉动转矩的频率同电动机转子与负载构成的轴系扭转固有频率一致时将发生谐振。   机械原因引起的振动表现为:电动机轴上有外伸重量等,轴系统的固有频率降低时,如果电动机高速运转,全旋转频率与轴系统固有频率接近,则振动加剧。转子残余不平衡引起离心力与转速的二次方成比例增加,所以用变频器进行高速运转时,振动加大。    为减少谐波产生的电磁力,可以在变频器的输出侧连接交流电抗器,以吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。使用PAM方式或方波PWM方式变频器时,可改用正弦波PWM或矢量控制方式变频器,以减小脉动转矩。

 

 

 

 

变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合,由于它能提供精确的速度控制,因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大地提高工艺的高效性(变速不依赖于机械部分),同时可以比原来的定速运行电机更加节能。下面例举使用变频调速的10个理由,来说明变频器应用日趋普及的基本认识:
(1) 控制电机的启动电流。
    当电机通过工频直接启动时,它将会产生78倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量,从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(也可适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立,变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流,提高绕组承受力,用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。
(2) 降低电力线路电压波动。
    在电机工频启动时,电流剧增的同时,电压也会大幅度波动,电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常,如PC机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后,由于能在零频零压时逐步启动,则能最大程度上消除电压下降。
(3) 启动时需要的功率更低。
    电机功率与电流和电压的乘积成正比, 那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限,其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响, 从而将受到电网运行商的警告, 甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停, 就不会产生类似的问题。
(4) 可控的加速功能。
    变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速,而且其加速曲线也可以选择(直线加速、S形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗,降低机械部件和电机的寿命。另外,变频启动还能应用在类似灌装线上,以防止瓶子倒翻或损坏。
(5) 可调的运行速度。
    运用变频调速能优化工艺过程,并能根据工艺过程迅速改变,还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。
(6) 可调的转矩极限。
    通过变频调速后,能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏,从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调,甚至转矩的控制精度都能达到3%~5%左右。在工频状态下,电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制,而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。
(7) 受控的停止方式。
    如同可控的加速一样, 在变频调速中, 停止方式可以受控,并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车+直流制动),同样它能减少对机械部件和电机的冲击,从而使整个系统更加可靠,寿命也会相应增加。
(8) 节能
    离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗,这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比,所以采用变频后投资回报就更快。
(9) 可逆运行控制
    在变频器控制中,要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置,只需要改变输出电压的相序即可,这样就能降低维护成本和节省安装空间。
(10) 减少机械传动部件
    由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出, 从而节省齿轮箱等机械传动部件, 最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间, 提高稳定性。

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变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源|稳压器变换为另一频率的电能控制装置。可分为交——交变频器,交————交变频器。交——交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电;交————交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电,再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。

  PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写,按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度,以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写,是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度,以调节输出量值和波形的一种调制方式。

  变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波石电感。

  非同步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那麽磁通就过大,磁回路饱和,严重时将烧毁电机。因此,频率与电压要成比例地改变,即改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用於风机、泵类节能型变频器。

  频率下降(低速),如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。

  采用变频器运转,随著电机的加速相应提高频率和电压,起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同,为125%-200%)。用工频电源直接起动时,起动电流为6-7倍,因此,将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2-1.5倍,起动转矩为70%-120%额定转矩;对於带有转矩自动增强功能的变频器,起动转矩为100%以上,可以带全负载起动。

  频率下降时电压V也成比例下降,这个问题已在回答4说明。VF的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性,可以用开关或标度盘进行选择。

  频率下降时完全成比例地降低电压,那麽由於交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此,在低频时给定V/F,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/F模式或调整电位器等方法。

  在6Hz以下仍可输出功率,但根据电机温升和起动转矩的大小等条件,最低使用频率取6Hz左右,此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.5-3Hz.

  通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变,大体为恒功率特性,在高速下要求相同转矩时,必须注意电机与变频器容量的选择。

  给所使用的电机装置设速度检出器(PG),将实际转速反馈给控制装置进行控制的,称为闭环,不用PG运转的就叫作开环。通用变频器多为开环方式,也有的机种利用选件可进行PG反馈。

  开环时,变频器即使输出给定频率,电机在带负载运行时,电机的转速在额定转差率的范围内(1%-5%)变动。对於要求调速精度比较高,即使负载变动也要求在近於给定速度下运转的场合,可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)

  具有PG反馈功能的变频器,精度有提高。但速度精度的植取决於PG本身的精度和变频器输出频率的解析度。

  如果给定的加速时间过短,变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化,变频器将因流过过电流而跳闸,运转停止,这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转,就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。

  加减速可以分别给定的机种,对於短时间加速、缓慢减速场合,或者对於小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的,但对於风机传动等场合,加减速时间都较长,加速时间和减速时间可以共同给定。

  电动机在运转中如果降低指令频率,则电动机变为非同步发电机状态运行,作为制动器而工作,这就叫作再生(电气)制动。

  从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中,由於电容器的容量和耐压的关系,通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%-20%。如采用选用件制动单元,可以达到50%-100%

  自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化,控制工艺指标,如在烟草行业的糖料、香料工序,可由皮带称的流量信号来控制变频器频率,使泵的转速随流量信号自动变化,调节加料量,均匀地加入香精、糖料。也可利用生产线起停信号通过正、反端子控制变频器的起、停及正、反转,成为自动流水线的一部分。此外在流水生产线上,当前方设备有故障时後方设备应自动停机。变频器的紧急停止端可以实现这一功能。在SANKENMFFUTFVT系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个频率,在有些设备上可据此设置自动生产流程。设定好工作频率及时间後,变频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行,形成一个自动的生产流程。

 

节能环保“十二五” 变频器一马当先

http://www.hvacr.hc360.com2012年01月11日09:45新浪地产

    慧聪空调制冷网 近期,酝酿已久的《“十二五”节能环保产业发展规划》即将出台,根据权威部门的说法,规划将对我国节能环保产业的发展提供政策与税收等诸多方面的支持,这无疑给众多企业带来巨大的想象空间。变频器作为通过改变电机工作电源频率和幅度,来控制交流电动机电力传动的元件,对于节约能源有其独特的作用,在这样的大前提下无疑是首先受益。

    1967年,世界上第一台变频器开发成功,并投入商业运行。经过四十多年的发展,交流电机变频调速成为节约电能、改善生产工艺流程、提高产品质量、以及改善运行环境的一种主要手段。变频器以高效率、高功率因数,以及优异的调速和启制动性能而广受用户青睐,在众多领域发挥着以下3点重要作用:

    一是软启动功能。电机硬启动,直接启动电流往往是其额定电流的3-5倍,忽然增高的电流不仅增加了电机的设计生产难度,而且对电网系统容量、输配电设施造成严重冲击,对挡板、阀门等设备的损害也极大。变频器的作用就是改变交流电机供电的频率和幅值,从而改变其运动磁场的周期,达到平滑控制电动机转速的目的。这使电机启动电流从零开始,逐渐增加,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备的使用寿命。

    二是优化电机运行。在风机中央空调等系统中,传统的供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现的。出水口水压大小往往受水箱高度、储水量等因素影响,时常发生变化,要真正实现恒压并不容易。另外,风机、泵类等设备传统的调速方法是靠调节出入口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量。当输入功率过大时,大量能源就消耗在挡板、阀门的截流过程中,造成了浪费。这就像是人们在没有准确核算工程量的前提下就把大大超出需求量的砖块运上了高楼,造成人力和工时的浪费。如今,工程师们组合变频器、PID调节器、单片机、PLC等,形成一个控制系统,就可以调节水泵的输出流量,减少无效劳动。人们只要设定泵站总管的出水压力,设定值与反馈的实际值进行比较,其差值经过运算处理后,系统会发出控制指令,控制水泵电动机的投运台数和转速,从而达到给水总管压力恒定的目标。与调节阀门控制水压相比,该系统降低了管道阻力,大大减少了截流损失的效能,而且不需要人工频繁操作,降低了劳动强度。在中央空调、风机等系统中,变频器也有不俗的表现。中国变频器指出,中央空调是按照最大需要冷(热)量再加10~20%来设计的,耗电量大,节能潜力也大。用变频器去对中央空调制冷压缩机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风扇、回风装置等进行调速节能控制,就可以避免过大流量和过大压力,保证系统正常有效运行,可以节电20%~50%。又如,在“万里长江第一隧”——上海长江隧道建设过程中,建设者需要确保长约8.9公里,内径13.7米的隧道内通风良好。为此,这个项目采用了德力西变频器,根据用风量大小直接给定电机转速,精准调节风量,优化了电气设施的使用,节能达20%-45%。

    三是对系统具有保护功能。在检知系统中的异常状态后,变频器可以自动修正动作或者封锁电力半导体器件PWM控制信号,使电机自动停车,如过电流失速防止、过电流切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

    综上所述,变频器在节能减排领域有着巨大独特的优势,中国变频器网认为变频器企业应该借着“十二五”节能减排的东风,更好的树立节能的观念。将产品的节能性能更上一个台阶,这对于变频器企业未来的发展是身份有利的。

 


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