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變頻器在生產使用中應注意的幾個問題

負載匹配問題及變頻器的選擇

生產機械的種類繁多, 性能和工藝要求各異, 其轉矩特性是複雜的。 負載大體分為三種類型:風機、泵類負載、恒轉矩負載和恒功率負載。 針對不同的負載類型, 應選擇不同類型的變頻器。

1. 風機泵類負載

風機泵類負載是目前工業現場應用最多的設備, 雖然泵和風機的特性多種多樣, 但是主要以離心泵和離心風機應用為主, 通用變頻器在這類負載上的應用最多。 風機泵類負載是一種二次方轉矩負載。

這類負載對變頻器的性能要求不高, 主要要求經濟性和可靠性,

所以選擇具有U/f=const(輸出頻率f和輸出電壓U)控制模式的變頻器即可。 在變頻器起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下, 選擇最短啟、停時間。

另外, 泵類負載在實際運行過程中, 容易發生喘振、憋壓和水垂效應, 所以變頻器選型後, 在功能設定時要針對上述問題進行單獨設定(喘振:測量易發生喘振的頻率點, 通過設定跳躍頻率點和寬度, 避免系統發生共振現象;憋壓:泵類負載在低速運行時, 由於系統憋壓而導致流量為零, 從而造成泵燒壞。

在變頻器功能設定時, 通過限定變頻器的最低頻率, 而限定了泵流量的臨界點處的系統最低轉速, 這就避免了此類現象的發生;水垂效應:泵類負載在突然斷電時,

由於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燒壞。 在變頻器功能設定時, 應使變頻器按減速曲線停止, 在電機完全停止後再斷開主電路電源, 或者設定“斷電減速停止”功能, 這樣就避免了該現象的發生)。

2. 恒轉矩負載

恒轉矩負載是指負載轉矩與轉速無關, 任何轉速下, 轉矩均保持恒定。 變頻器應選擇那些具有恒定轉矩特性,並且起動和制動轉矩都比較大, 超載能力強 , 能夠快速實現正反轉的變頻器。

3. 恒功率負載

恒功率負載是指轉矩大體與轉速成反比的負載, 如捲揚機等。 利用變頻器驅動恒功率負載時, 應該是就一定的速度變化範圍而言的,

通常考慮在某個轉速點以下採用恒轉矩調速方式, 而在高於該轉速點時才採用恒功率調速方式。 我們通常將該轉速點稱為基頻, 該點對應的電壓為變頻器輸出額定電壓。 是一種近似意義上的恒功率控制。

發熱問題及其對策

變頻器的發熱是由內部的損耗產生的。

在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主, 約占98%, 控制電路占2%。 為了保證變頻器正常可靠運行, 必須對變頻器進行散熱, 通常採用以下方法:

1. 採用風扇散熱:變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走, 若風扇不能正常工作, 應立即停止變頻器運行。

2. 降低安裝環境溫度:由於變頻器是電子裝置, 內含電子元件、電解電容等, 所以溫度對其壽命影響比較大。 通用變頻器的環境運行溫度一般要求-10℃—+50℃, 如果能夠採取措施盡可能降低變頻器運行溫度, 那麼變頻器的使用壽命就可延長, 性能也比較穩定。

我們採取兩種方法:一種方法是變頻器的安裝空間要滿足變頻器使用說明書的要求;另一種方法是建造單獨的變頻器低壓間,

內部安裝空調, 保持低壓間溫度在+15℃—+20℃之間。

以上所談到的變頻器發熱是指變頻器在額定範圍之內正常運行的損耗。 當變頻器發生非正常運行(如過流, 過壓, 超載等)產生的損耗, 必須通過正常的選型和功能設定, 來避免此類現象的發生。

變頻器對傳統功率因數補償及電容器的影響

隨著變頻器等電力電子技術的大量應用, 功率因數下降很多, 我們採用傳統的電容補償方法, 收效甚微。 而且還時常出現電容櫃內保險炸碎、電容損壞、電線燒毀等故障。 在此有必要詳細探討一下諧波背景下的無功補償問題, 保證補償電容器長期安全穩定運行, 同時吸收一部分諧波, 在一定程度上降低系統的諧波電壓和諧波電流畸變率。

在無功補償系統中,電網系統以感抗為主,電容器回路以容抗為主。在工頻條件下,並聯電容器的容抗比系統的感抗大得多,補償電容器對電網發出無功功率,對電網系統進行無功補償,提高系統功率因數。但在有諧波背景的系統中,非線性負荷產生了大量的諧波電流注入電網,引起電壓及電流的波形畸變。

對諧波頻率而言,電網系統感抗大大增加而補償系統容抗大大減小,其調諧頻率可能與電網中存在的諧波頻率接近。如果電網中存在該特定頻率的諧波電流源,將直接放大諧波,嚴重時將發生串聯諧振或並聯諧振,導致電壓畸變更為嚴重,增大了諧波對電網的影響。

電容器與其他設備相比有較大區別,因其容性特點在系統共振情況下可顯著改變系統阻抗,造成電容器過電流及增加絕緣材料的介質應力。

電容器在諧波頻率下的容抗是在基波頻率下的若干分之一,同樣電網在諧波頻率下之感抗比之在基波頻率下要大很多倍,這樣系統產生之諧波電流大部分流入電容器回路。由於電容器運行時滿載電流I1=100%Ie,加上外來諧波電流,若運行電流大於1.3倍額定電流時,電容器溫度將迅速升高,易產生故障。

所以,在有諧波背景的系統中,不能採用傳統的電容器補償系統來進行無功功率補償,而應採用調諧式電容器組來進行無功功率補償。

變頻器的測量

1.電磁式儀錶:工廠裡常用的電流錶和電壓表一般都是電磁式儀錶,在變頻調速系統中可用來測量變頻器的輸入電流和電壓。當工作頻率fx下降時,感抗XLX也隨著減小,在相同的被測電壓下,線圈中電流將增大,使指針的偏轉角即儀錶讀數偏大。所以,電磁式儀錶用來測量變頻器的輸出電壓時,誤差較大。

2.數字式儀錶:是利用一系列頻率固定的採樣脈衝,對被測量進行“採樣”,每隔一段時間計算一次採樣結果的平均值,得到與被測量成比例的數值,作為其測量結果。由於變頻器的輸出電壓是通過改變占空比來調節其平均電壓的(變頻器輸出電壓的占空比是隨著給定頻率和所預置的U/f比而變化的)。當給定頻率下降,輸出電壓減小時,電壓脈衝的占空比減小,數字表採樣到的次數減少,故測量結果也會偏大。

3.整流式儀錶:所謂整流式儀錶,就是把交變電壓經整流後再通入磁電式儀錶,是用磁電式儀錶來測量交流電的一種方式,利用它來測量變頻器的輸出電壓時,流入線圈的電流波形基本上和電壓波形相同,測量結果相對準確。但由於整流式儀錶測量變頻器的輸出電壓中含有高次諧波成分,故測量結果與基波電壓相比,也略大一些。

(摘編自《電氣技術》,原文標題為“淺談變頻器”,作者為蔡國建。)

在無功補償系統中,電網系統以感抗為主,電容器回路以容抗為主。在工頻條件下,並聯電容器的容抗比系統的感抗大得多,補償電容器對電網發出無功功率,對電網系統進行無功補償,提高系統功率因數。但在有諧波背景的系統中,非線性負荷產生了大量的諧波電流注入電網,引起電壓及電流的波形畸變。

對諧波頻率而言,電網系統感抗大大增加而補償系統容抗大大減小,其調諧頻率可能與電網中存在的諧波頻率接近。如果電網中存在該特定頻率的諧波電流源,將直接放大諧波,嚴重時將發生串聯諧振或並聯諧振,導致電壓畸變更為嚴重,增大了諧波對電網的影響。

電容器與其他設備相比有較大區別,因其容性特點在系統共振情況下可顯著改變系統阻抗,造成電容器過電流及增加絕緣材料的介質應力。

電容器在諧波頻率下的容抗是在基波頻率下的若干分之一,同樣電網在諧波頻率下之感抗比之在基波頻率下要大很多倍,這樣系統產生之諧波電流大部分流入電容器回路。由於電容器運行時滿載電流I1=100%Ie,加上外來諧波電流,若運行電流大於1.3倍額定電流時,電容器溫度將迅速升高,易產生故障。

所以,在有諧波背景的系統中,不能採用傳統的電容器補償系統來進行無功功率補償,而應採用調諧式電容器組來進行無功功率補償。

變頻器的測量

1.電磁式儀錶:工廠裡常用的電流錶和電壓表一般都是電磁式儀錶,在變頻調速系統中可用來測量變頻器的輸入電流和電壓。當工作頻率fx下降時,感抗XLX也隨著減小,在相同的被測電壓下,線圈中電流將增大,使指針的偏轉角即儀錶讀數偏大。所以,電磁式儀錶用來測量變頻器的輸出電壓時,誤差較大。

2.數字式儀錶:是利用一系列頻率固定的採樣脈衝,對被測量進行“採樣”,每隔一段時間計算一次採樣結果的平均值,得到與被測量成比例的數值,作為其測量結果。由於變頻器的輸出電壓是通過改變占空比來調節其平均電壓的(變頻器輸出電壓的占空比是隨著給定頻率和所預置的U/f比而變化的)。當給定頻率下降,輸出電壓減小時,電壓脈衝的占空比減小,數字表採樣到的次數減少,故測量結果也會偏大。

3.整流式儀錶:所謂整流式儀錶,就是把交變電壓經整流後再通入磁電式儀錶,是用磁電式儀錶來測量交流電的一種方式,利用它來測量變頻器的輸出電壓時,流入線圈的電流波形基本上和電壓波形相同,測量結果相對準確。但由於整流式儀錶測量變頻器的輸出電壓中含有高次諧波成分,故測量結果與基波電壓相比,也略大一些。

(摘編自《電氣技術》,原文標題為“淺談變頻器”,作者為蔡國建。)

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