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[導讀] 變頻器可靠運行的四大要素 對于變頻器這種當下最為流行的電氣控制裝置,做為一種精密電子工控裝置,要想使變頻器長時間平穩(wěn)地正常運行,身為專業(yè)技術(shù)人員的我們,則還需要在變頻器安裝或運行前,從四

變頻器可靠運行的四大要素

對于變頻器這種當下最為流行的電氣控制裝置,做為一種精密電子工控裝置,要想使變頻器長時間平穩(wěn)地正常運行,身為專業(yè)技術(shù)人員的我們,則還需要在變頻器安裝或運行前,從四個直接影響變頻器運行的環(huán)境要素上著手,切實搞好準備工作。

一、物理環(huán)境

①溫度因素

溫度對變頻器內(nèi)部電子元器件的壽命以及可靠性的影響巨大。在運行溫度較高的環(huán)境下使用變頻器時,必須采取額外的冷卻降溫措施,用以保證環(huán)境溫度穩(wěn)定在變頻器使用手冊要求的范圍之內(nèi)(-10~+40/45℃)。在電控箱中,變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部,并且嚴禁把發(fā)熱元件緊靠變頻器底部安裝!此外,在使用過程中還應(yīng)定期對變頻器自帶冷卻風扇進行檢查和保潔工作。

②濕度因素

對于此種因素的危害,相信廣大同行都能明白——在環(huán)境濕度大于90%時,變頻器內(nèi)部的器件絕緣性會變差,從而導致變頻器發(fā)生故障。因此必要時在變頻器內(nèi)放入干燥劑則成為必須的除潮手段。

③腐蝕性氣體

由于腐蝕性氣體對變頻器內(nèi)部PCB板、塑料制品外殼等的電氣絕緣性能有極大的破壞作用,故在此種環(huán)境下使用變頻器應(yīng)按要求采用符合安全規(guī)程要求的密封外殼。

振動和沖擊

這兩種會引起變頻器發(fā)生電氣接觸不良、元器件開焊的物理現(xiàn)象,對變頻器的正常使用同樣影響較大,為此加強日常保養(yǎng)和檢修工作不容大意。

二、電氣環(huán)境

①防止電磁干擾

變頻器在工作中因為存在整流和逆變環(huán)節(jié),此工作過程必然產(chǎn)生很多電磁波干擾,這些高頻電磁波對附近的儀器儀表均有一定的干擾。為此和變頻器同網(wǎng)絡(luò)的儀器儀表應(yīng)先做好接地工作,各種電氣元件、儀器儀表之間的連線應(yīng)選用帶有屏蔽層的電纜線,且必須將屏蔽層做接地處理。

②防止輸入端過電壓

雖然大多數(shù)變頻器電源輸入端具有過電壓保護功能,可如果變頻器輸入端高電壓作用時間較長,則往往會使變頻器內(nèi)部相關(guān)元器件(如壓敏電阻、整流器件等)發(fā)生損壞。對于電源電壓波動頻繁且幅度較大的電源,要考慮使用穩(wěn)壓設(shè)備。

三、接地

變頻器正確接地是提高系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲干擾的重要手段。變頻器接地端子G(也有標注為E)接地電阻越小越好,接地導線截面積不應(yīng)低于2mm2,且長度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。此外需要指出的是,變頻器信號輸入線的屏蔽層應(yīng)接至G(或E)接線端子上,其另一端絕不能接于地端,否則會引起信號變化波動,造成系統(tǒng)發(fā)生振蕩。

四、防雷

在變頻器中一般都設(shè)有雷電吸收、泄放回路,用以防止瞬間的雷電侵入造成變頻器損壞。無奈在實際運行過程中,尤其是變頻器電源線為架空引入的情況下,單純依賴變頻器內(nèi)部防雷回路是遠遠不夠的。為此在雷電活躍區(qū),并且變頻器電源為架空線引入方式的話,應(yīng)在進線處裝配變頻器專用的避雷器(廠家選配件),或許按規(guī)范要求在變頻器20m的遠處預(yù)埋鍍鋅鋼管座專用接地防雷保護。

變頻器內(nèi)部四大不為人知的秘密

變頻器作為當下電動機控制方面最為主流的電控設(shè)備,其擁有調(diào)速調(diào)壓精確、操控方式靈活多樣等諸多優(yōu)點。雖說變頻器的使用方法已被廣大電工同行所熟悉和掌握,但其內(nèi)部線路當中的秘密,大家可能就未必了解了。

誤區(qū)1、使用變頻器都能節(jié)電

變頻調(diào)速器能否實現(xiàn)節(jié)電,是由其負載的調(diào)速特性決定的。對于離心風機、離心水泵這類負載,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比,功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。只要原來采用閥門控制流量,且不是滿負荷工作,改為調(diào)速運行,均能實現(xiàn)節(jié)電。當轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時,功率只有原來的51.2%??梢?,變頻調(diào)速器在這類負載中的應(yīng)用,節(jié)電效果最為明顯。對于羅茨風機這類負載,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān),即恒轉(zhuǎn)矩負載。若原來采用放風閥放走多余風量的方法調(diào)節(jié)風量,改為調(diào)速運行,也能實現(xiàn)節(jié)電。當轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時,功率為原來的80%。比在離心風機、離心水泵中的應(yīng)用節(jié)電效果要小得多。對于恒功率負載,功率與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。水泥廠恒功率負載,如配料皮帶秤,在設(shè)定流量一定的條件下,當料層厚時,皮帶速度減慢;當料層薄時,皮帶速度加快。變頻調(diào)速器在這類負載中的應(yīng)用,不能節(jié)電。

與直流調(diào)速系統(tǒng)比較,直流電動機比交流電動機效率高、功率因數(shù)高,數(shù)字直流調(diào)速器與變頻調(diào)速器效率不相上下,甚至數(shù)字直流調(diào)速器比變頻調(diào)速器效率略高。所以,宣稱使用交流異步電動機和變頻調(diào)速器比使用直流電動機和直流調(diào)速器要節(jié)電,理論和實踐證明,這是不正確的。

誤區(qū)2、變頻器的容量選擇以電動機額定功率為依據(jù)

相對于電動機來說,變頻調(diào)速器的價格較貴,因此在保證安全可靠運行的前提下,合理地降低變頻調(diào)速器的容量就顯得十分有意義。變頻調(diào)速器的功率指的是它適用的4極交流異步電動機的功率。

由于同容量電動機,其極數(shù)不同,電動機額定電流不同。隨著電動機極數(shù)的增多,電動機額定電流增大。變頻調(diào)速器的容量選擇不能以電動機額定功率為依據(jù)。同時,對于原來未采用變頻器的改造項目,變頻調(diào)速器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據(jù)。這是因為,電動機的容量選擇要考慮最大負荷、富裕系數(shù)、電動機規(guī)格等因素,往往富裕量較大,工業(yè)用電動機常常在50%~60%額定負荷下運行。若以電動機額定電流為依據(jù)來選擇變頻調(diào)速器的容量,留有富裕量太大,造成經(jīng)濟上的浪費,而可靠性并沒有因此得到提高。

對于鼠籠式電動機,變頻調(diào)速器的容量選擇應(yīng)以變頻器的額定電流大于或等于電動機的最大正常工作電流1.1倍為原則,這樣可以最大限度地節(jié)約資金。對于重載起動、高溫環(huán)境、繞線式電動機、同步電動機等條件下,變頻調(diào)速器的容量應(yīng)適當加大。對于一開始就采用變頻器的設(shè)計中,變頻器容量的選擇以電動機額定電流為依據(jù)無可厚非。這是因為此時變頻器容量不能以實際運行情況來選擇。當然,為了減少投資,在有些場合,也可先不確定變頻器的容量,等設(shè)備實際運轉(zhuǎn)一段時間后,再根據(jù)實際電流進行選擇。

誤區(qū)3、用視在功率計算無功補償節(jié)能收益

用視在功率計算無功補償節(jié)能效果。如某文獻:原系統(tǒng)風機工頻滿載工作時,電動機運行電流為289A,采用變頻調(diào)速時,50Hz滿載運行時的功率因數(shù)約為0.99,電流是257A,這是由于變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生改善功率因數(shù)的作用,其節(jié)能計算如下:

ΔS=UI=×380×(289-257)=21kVA

因此該文認為其節(jié)能效果約為單機容量的11%左右。

實際分析:S即表示視在功率,即電壓與電流的乘積,電壓相同時,視在功率節(jié)約百分比與電流節(jié)約百分比是一回事。在有電抗的電路中,視在功率只是反映了配電系統(tǒng)的允許最大輸出能力,而不能反映電動機實際消耗的功率。電動機實際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中,雖用實際電流計算,但計算的是視在功率,而不是有功功率。我們知道,電動機實際消耗的功率是由風機及其負載決定的。功率因數(shù)的提高并沒有改變風機的負載,也沒有提高風機的效率,風機實際消耗的功率沒有減少。功率因數(shù)提高后,電動機運行狀態(tài)也沒有改變,電動機定子電流并沒有減少,電動機消耗的有功功率和無功功率都沒有改變。功率因數(shù)提高的原因是變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生無功功率供給了電動機消耗。隨著功率因數(shù)提高,變頻器的實際輸入電流減少,從而減少了電網(wǎng)至變頻器之間的線損和變壓器的銅耗。同時,負荷電流減小,給變頻器供電的變壓器、開關(guān)、接觸器、導線等配電設(shè)備可以帶更多的負載。需要指出的是,如果象該例一樣不考慮線損和變壓器銅耗的節(jié)約,而考慮變頻器的損耗,變頻器在50Hz滿載運行時,不僅沒有節(jié)能,而且還費電。因此,用視在功率計算節(jié)能效果是不對的。

誤區(qū)4、變頻器輸出側(cè)不能加裝接觸器

幾乎所有變頻調(diào)速器使用說明書都指出,變頻調(diào)速器輸出側(cè)不能加裝接觸器。變頻器在運行中連接負載,會由于漏電流而使過電流保護回路動作。那么,只要在變頻調(diào)速器輸出與接觸器動作之間,加以必要的控制聯(lián),保證只有在變頻調(diào)速器無輸出時,接觸器才能動作,變頻調(diào)速器輸出側(cè)就可以加裝接觸器。這種方案對于只有1臺變頻調(diào)速器,2臺電動機(1臺電動機運行,1臺電動機備用)的場合,具有重要的意義。當運行的電動機出現(xiàn)故障時,可以很方便地將變頻器切換到備用電動機,經(jīng)過延時使變頻器運行,實現(xiàn)備用電動機自動投入變頻運行。并且還可以很方便地實現(xiàn)2臺電動機的互為備用。

誤區(qū)5、變頻調(diào)速器在離心風機中的應(yīng)用,可完全取代風機的調(diào)節(jié)閥門

采用變頻調(diào)速器對離心風機進行調(diào)速來控制風量,與調(diào)節(jié)閥門控制風量相比,具有明顯的節(jié)電效果。但在有些場合,變頻調(diào)速器不能完全取代風機的閥門,在設(shè)計中要引起特別注意。為了說明這個問題,我們先從其節(jié)電原理談起。離心風機的風量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比,風壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

誤區(qū)6、通用電動機只能在其額定轉(zhuǎn)速以下采用變頻調(diào)速器降速運行

經(jīng)典理論認為,通用電動機頻率上限為55Hz。這是因為當電動機轉(zhuǎn)速需要調(diào)到額定轉(zhuǎn)速以上運行時,定子頻率將增加到高于額定頻率(50Hz)。這時,若仍按恒轉(zhuǎn)矩原則控制,則定子電壓將升高超過額定電壓。那么,當調(diào)速范圍高于額定轉(zhuǎn)速時,須保持定子電壓為額定電壓不變。這時,隨著轉(zhuǎn)速/頻率的上升,磁通將減少,因此在同一定子電流下的轉(zhuǎn)矩將減小,機械特性變軟,電動機的過載能力大幅度減少。

由此可見,通用電動機頻率上限為55Hz是有前提條件的:

1、定子電壓不能超過額定電壓;

2、電動機在額定功率運行;

3、恒轉(zhuǎn)矩負載。

上述情況下,理論和試驗證明,若頻率超過55Hz,將使電動機轉(zhuǎn)矩變小,機械特性變軟,過載能力下降,鐵耗急增,發(fā)熱嚴重。

筆者認為,電動機實際運行狀況表明,通用電動機可以通過變頻調(diào)速器進行提速運行。能否變頻提速?能提多少?主要是由電動機拖動的負載來決定的。首先,要弄清負荷率是多少?其次,要搞清楚負載特性,根據(jù)負載的具體情況,進行推算。簡單分析如下:

1、事實上,對于380V通用電動機,定子電壓超過額定電壓10%長期運行是可以的,對電動機絕緣及壽命沒有影響。定子電壓提高,轉(zhuǎn)矩顯著增大,定子電流減少,繞組溫度下降。

2、電動機負荷率通常為50%~60%

一般情況下,工業(yè)用電動機通常在50%~60%額定功率下工作。經(jīng)推算,電動機輸出功率為70%額定功率,定子電壓提高7%時,定子電流下降26.4%,此時,即使是恒轉(zhuǎn)矩控制,采用變頻調(diào)速器提高電動機轉(zhuǎn)速20%,定子電流也不但不會上升,反而會下降。盡管提高頻率后,電動機鐵耗急增,但由其產(chǎn)生的熱量與定子電流下降而減少的熱量相比甚微。因此,電動機繞組溫度也將明顯下降。

3、負載特性各種各樣

電動機拖動系統(tǒng)是為負載服務(wù)的,不同的負載,機械特性不同。電動機在提速后必須滿足負載機械特性的要求。經(jīng)推算恒轉(zhuǎn)矩負載不同負荷率(k)時的允許最高運行頻率(fmax)與負荷率成反比,即fmax=fe/k,其中fe為額定工頻。對恒功率負載,通用電動機的允許最高工作頻率主要受電動機轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的機械強度限制,筆者認為一般限制在100Hz以內(nèi)為宜。

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