變頻調速能夠應用在大部分的電機拖動場合, 由於它能提供精確的速度控制, 因此可以方便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。 變頻應用可以大大地提高工藝的高效性(變速不依賴於機械部分), 同時可以比原來的定速運行電機更加節能。 下面例舉使用變頻調速的十個理由, 來說明變頻器應用日趨普及的基本認識。
1控制電機的啟動電流
當電機通過工頻直接啟動時, 它將會產生7至8倍的電機額定電流, 這個電流值將大大增加電機繞組的電應力並產生熱量,
2降低電力線路電壓波動
在電機工頻啟動時, 電流劇增的同時, 電壓也會大幅度波動, 電壓下降的幅度將取決於啟動電機的功率大小和配電網的容量。 電壓下降將會導致同一供電網路中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常, 如PC機、感測器、接近開關和接觸器等均會動作出錯。 而採用變頻調速後, 由於能在零頻零壓時逐步啟動,
3啟動時需要的功率更低
電機功率與電流和電壓的乘積成正比,那麼通過工頻直接啟動的電機消耗的功率將大大高於變頻啟動所需要的功率。 在一些工況下其配電系統已經達到了最高極限, 其直接工頻啟動電機所產生的電湧就會對同網上的其他用戶產生嚴重的影響。 如果採用變頻器進行電機起停,就不會產生類似的問題。
4可控的加速功能
變頻調速能在零速啟動並按照使用者的需要進行均勻地加速, 而且其加速曲線也可以選擇(直線加速、S形加速或者自動加速)。 而通過工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產生劇烈的振動。 這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗,
5可調的運行速度
運用變頻調速能優化工藝過程, 並能根據工藝過程迅速改變, 還能通過遠控PLC或其他控制器來實現速度變化。
6可調的轉矩極限
通過變頻調速後, 能夠設置相應的轉矩極限來保護機械不致損壞, 從而保證工藝過程的連續性和產品的可靠性。 目前的變頻技術使得不僅轉矩極限可調, 甚至轉矩的控制精度也大大提高。 在工頻狀態下, 電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制, 而無法像在變頻控制一樣設置精確的轉矩值來控制。
7受控的停止方式
如同可控的加速一樣,
8節能
離心風機或水泵採用變頻器後都能大幅度地降低能耗, 這在十幾年的工程經驗中已經得到體現。 由於最終的能耗是與電機的轉速成立方比, 所以採用變頻後投資回報就更快。
9可逆運行控制
在變頻器控制中, 要實現可逆運行控制無須額外的可逆控制裝置, 只需要改變輸出電壓的相序即可, 這樣就能降低維護成本和節省安裝空間。
10減少機械傳動部件
由於目前向量控制變頻器加上同步電機就能實現高效的轉矩輸出,
在實際應用中, 一些場合需要使用到接觸器進行變頻器切換:如當變頻故障時切換到工頻狀態運行, 或是當採用一拖二方式, 一台電動機故障, 變頻器轉向拖動另一台電動機等情況。 所以許多用戶會認為在變頻器輸出回路加裝電磁開關、電磁接觸器是標準的配置, 是安全斷開電源的方式, 事實上這種做法存在較大的隱患。
【存在弊端:】在變頻器還在運行的時候, 接觸器先行斷開, 突然中斷負載, 浪湧電流會使過電流保護動作, 會給整流逆變主電路產生一定的衝擊。 嚴重的,甚至會使變頻器輸出模組IGBT造成損壞。同時,在帶感性電動機負載時,感性磁場能量無法快速釋放,將產生高電壓,損傷電動機和連接電纜的絕緣。
【應對策略:】將變頻器輸出側直接與電動機電纜相連,正常起停電動機可以通過觸發變頻器控制端子來實現,達到軟起軟停的效果。若必須在變頻調速器輸出側使用接觸器,則必須在變頻調速器輸出與接觸器動作之間,加以必要的控制聯鎖,保證只有在變頻調速器無輸出時,接觸器才能動作。
誤區二:設備正常停運時,斷開變頻器交流輸入電源在設備正常停運時,很多用戶習慣於斷開變頻器交流輸入電源開關,認為那樣更安全、也可以節能。
【存在弊端:】此種做法,表面上似乎可以起到保護變頻器不受電源故障衝擊的作用。實際上,變頻器長時間不帶電,加上現場環境濕度影響,會造成內部電路板受潮而發生緩慢氧化、逐漸出現短路現象。這就是在變頻器斷電停運一段時間後,再次送電時會頻繁報軟故障的原因。
【應對策略:】除設備檢修外,應使變頻器長時間處於帶電狀態。除此之外,還應開啟變頻控制櫃的上下風扇、在櫃內放置乾燥劑或安裝自動溫濕度控制加熱器,保持通風和環境乾燥。
誤區三:露天或粉塵環境下安裝的變頻器控制櫃採用密封型式在部分廠礦、地下室、露天安裝使用的變頻器控制櫃,會經受著如高溫、粉塵、潮濕等惡劣環境的嚴酷考驗。為此,很多用戶會選用密封型式的變頻櫃。這樣雖然在一定程度上可以起到防雨、防塵的效果,但同時也帶來了變頻器散熱不良的問題。
【存在弊端:】控制櫃密封嚴實會使得變頻器因通風散熱能力不足而引起內部元器件過熱,熱敏元件保護動作,造成故障跳閘,設備被迫停運。
【應對策略:】在變頻器控制櫃上部加裝透氣的防雨罩,且帶有防塵濾網,同時作為排氣口。下部也同樣開槽安裝帶濾網的風扇,作為進氣口。可以形成空氣流通,同時過濾環境裡的粉塵。冷卻空氣流通方向:從底部流向頂部。變頻器之間的橫向安裝距離應不小於5mm,進入變頻器的冷卻空氣溫度不能超過+40攝氏度。如果環境溫度長時間在+40攝氏度以上,則需考慮將變頻器安裝在帶空調的小室內。
在控制箱中,變頻器一般應安裝在箱體上部,絕對不允許把發熱元件或易發熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。
誤區四:為提高電壓品質,在變頻器輸出端並聯功率因數補償電容器部分企業由於用電容量限制,電壓品質得不到保障,特別是大型用電設備投用時,會造成廠站內母線電壓降低,負載功率因數明顯隨著下降。為提高電壓品質,使用者通常在變頻器輸出端並聯功率因數補償電容器,希望可以改善電動機功率因數。
【存在弊端:】將功率因數補償電容器與浪湧吸收器連接在電機電纜上(在傳動單元和電機之間),它們的影響不僅會降低電機的控制精度,還會在傳動單元輸出側形成瞬變電壓,引起ACS800傳動單元的永久性損壞。如果在ACS800的三相輸入線上並聯功率因數補償電容器,必須確保該電容器和ACS800不會同時充電,以避免浪湧電壓損壞變頻器。變頻器的電流流入改善功率因數用的電容器,由於其充電電流造成變頻器過電流(OCT),所以不能起動。
【應對策略:】將電容器拆除後運轉,至於改善功率因數,在變頻器的輸入側接入AC電抗器是有效的。
誤區五:選用斷路器作為變頻器熱超載和短路保護,效果比熔斷器好斷路器具備較為完善的保護功能,已廣泛應用在配電設備中,大有取代傳統熔斷器的趨勢。現在許多廠商生產的成套變頻調速設備,也基本上都配置斷路器(空氣開關),其實這也存在一些安全隱患。
【存在弊端:】在電源電纜發生短路故障時,斷路器保護動作跳閘由於斷路器本身的固有動作時間而產生延時,此期間會將短路電流引入變頻器內部,造成元件損壞。
【應對策略:】只要電纜是根據額定電流選型的,變頻器傳動單元就能保護自身、輸入端和電機電纜,以防止熱超載,並不需要附加額外的熱超載保護設備。配置熔斷器將可在短路情況下保護輸入電纜,在傳動裝置內部短路時減少裝置損壞和防止相連設備的損壞。
檢查配置的熔斷器動作時間應低於0.5秒。動作時間取決於熔斷器類型(gG或aR)、供電網路阻抗、電源電纜的橫截面積、材料和長度。當使用gG熔斷器超出0.5秒動作時間時,快熔(aR)在多數情況下可將動作時間減少到一個可接受水準。熔斷器必須為無延時類型。
斷路器對傳動設備不能提供足夠快的保護,因為它們的反應速度比熔斷器慢。因此需要快速保護時,應使用熔斷器而不是斷路器。
誤區六:變頻器選型只需考慮負載功率許多使用者在採購變頻器時,通常只根據驅動電動機的功率來匹配變頻器容量。其實,電動機所帶動的負載不一樣,對變頻器的要求也不一樣。
【存在弊端:】由於電動機所帶的負載特性存在差異,如果不充分考慮綜合因素,可能會造成變頻器使用不當而損壞,同時由於未配備必要的制動單元和濾波器,可能會引起安全風險。
【應對策略:】針對負載的特性和類型,合理選用變頻器的容量和配置。
(1)風機和水泵是最普通的負載:對變頻器的要求最為簡單,只要變頻器容量等於電動機容量即可(空壓機、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂噴泉需加大容量)。
(2)起重機類負載:這類負載的特點是啟動時衝擊很大,因此要求變頻器有一定餘量。同時,在重物下放肘,會有能量回饋,因此要使用制動單元或採用共用母線方式。
(3)不均行負載:有的負載有時輕,有時重,此時應按照重負載的情況來選擇變頻器容量,例如軋鋼機機械、粉碎機械、攪拌機等。
(4)大慣性負載:如離心機、衝床、水泥廠的旋轉窯,此類負載慣性很大,因此啟動時可能會振盪,電動機減速時有能量回饋……應該用容量稍大的變頻器來加快啟動,避免振盪。配合制動單元消除回饋電能。
結束語
變頻器在於其他智慧設備(PLC、DCS系統)配合後,可實現多重控制策略和閉環調節,其本身也具備較為完善的保護功能。但在實際應用和安裝環境中,卻存在許多誤區。正視矛盾的所在,規避風險,合理運用,才是提高變頻器效率和使用壽命的關鍵。
嚴重的,甚至會使變頻器輸出模組IGBT造成損壞。同時,在帶感性電動機負載時,感性磁場能量無法快速釋放,將產生高電壓,損傷電動機和連接電纜的絕緣。【應對策略:】將變頻器輸出側直接與電動機電纜相連,正常起停電動機可以通過觸發變頻器控制端子來實現,達到軟起軟停的效果。若必須在變頻調速器輸出側使用接觸器,則必須在變頻調速器輸出與接觸器動作之間,加以必要的控制聯鎖,保證只有在變頻調速器無輸出時,接觸器才能動作。
誤區二:設備正常停運時,斷開變頻器交流輸入電源在設備正常停運時,很多用戶習慣於斷開變頻器交流輸入電源開關,認為那樣更安全、也可以節能。
【存在弊端:】此種做法,表面上似乎可以起到保護變頻器不受電源故障衝擊的作用。實際上,變頻器長時間不帶電,加上現場環境濕度影響,會造成內部電路板受潮而發生緩慢氧化、逐漸出現短路現象。這就是在變頻器斷電停運一段時間後,再次送電時會頻繁報軟故障的原因。
【應對策略:】除設備檢修外,應使變頻器長時間處於帶電狀態。除此之外,還應開啟變頻控制櫃的上下風扇、在櫃內放置乾燥劑或安裝自動溫濕度控制加熱器,保持通風和環境乾燥。
誤區三:露天或粉塵環境下安裝的變頻器控制櫃採用密封型式在部分廠礦、地下室、露天安裝使用的變頻器控制櫃,會經受著如高溫、粉塵、潮濕等惡劣環境的嚴酷考驗。為此,很多用戶會選用密封型式的變頻櫃。這樣雖然在一定程度上可以起到防雨、防塵的效果,但同時也帶來了變頻器散熱不良的問題。
【存在弊端:】控制櫃密封嚴實會使得變頻器因通風散熱能力不足而引起內部元器件過熱,熱敏元件保護動作,造成故障跳閘,設備被迫停運。
【應對策略:】在變頻器控制櫃上部加裝透氣的防雨罩,且帶有防塵濾網,同時作為排氣口。下部也同樣開槽安裝帶濾網的風扇,作為進氣口。可以形成空氣流通,同時過濾環境裡的粉塵。冷卻空氣流通方向:從底部流向頂部。變頻器之間的橫向安裝距離應不小於5mm,進入變頻器的冷卻空氣溫度不能超過+40攝氏度。如果環境溫度長時間在+40攝氏度以上,則需考慮將變頻器安裝在帶空調的小室內。
在控制箱中,變頻器一般應安裝在箱體上部,絕對不允許把發熱元件或易發熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。
誤區四:為提高電壓品質,在變頻器輸出端並聯功率因數補償電容器部分企業由於用電容量限制,電壓品質得不到保障,特別是大型用電設備投用時,會造成廠站內母線電壓降低,負載功率因數明顯隨著下降。為提高電壓品質,使用者通常在變頻器輸出端並聯功率因數補償電容器,希望可以改善電動機功率因數。
【存在弊端:】將功率因數補償電容器與浪湧吸收器連接在電機電纜上(在傳動單元和電機之間),它們的影響不僅會降低電機的控制精度,還會在傳動單元輸出側形成瞬變電壓,引起ACS800傳動單元的永久性損壞。如果在ACS800的三相輸入線上並聯功率因數補償電容器,必須確保該電容器和ACS800不會同時充電,以避免浪湧電壓損壞變頻器。變頻器的電流流入改善功率因數用的電容器,由於其充電電流造成變頻器過電流(OCT),所以不能起動。
【應對策略:】將電容器拆除後運轉,至於改善功率因數,在變頻器的輸入側接入AC電抗器是有效的。
誤區五:選用斷路器作為變頻器熱超載和短路保護,效果比熔斷器好斷路器具備較為完善的保護功能,已廣泛應用在配電設備中,大有取代傳統熔斷器的趨勢。現在許多廠商生產的成套變頻調速設備,也基本上都配置斷路器(空氣開關),其實這也存在一些安全隱患。
【存在弊端:】在電源電纜發生短路故障時,斷路器保護動作跳閘由於斷路器本身的固有動作時間而產生延時,此期間會將短路電流引入變頻器內部,造成元件損壞。
【應對策略:】只要電纜是根據額定電流選型的,變頻器傳動單元就能保護自身、輸入端和電機電纜,以防止熱超載,並不需要附加額外的熱超載保護設備。配置熔斷器將可在短路情況下保護輸入電纜,在傳動裝置內部短路時減少裝置損壞和防止相連設備的損壞。
檢查配置的熔斷器動作時間應低於0.5秒。動作時間取決於熔斷器類型(gG或aR)、供電網路阻抗、電源電纜的橫截面積、材料和長度。當使用gG熔斷器超出0.5秒動作時間時,快熔(aR)在多數情況下可將動作時間減少到一個可接受水準。熔斷器必須為無延時類型。
斷路器對傳動設備不能提供足夠快的保護,因為它們的反應速度比熔斷器慢。因此需要快速保護時,應使用熔斷器而不是斷路器。
誤區六:變頻器選型只需考慮負載功率許多使用者在採購變頻器時,通常只根據驅動電動機的功率來匹配變頻器容量。其實,電動機所帶動的負載不一樣,對變頻器的要求也不一樣。
【存在弊端:】由於電動機所帶的負載特性存在差異,如果不充分考慮綜合因素,可能會造成變頻器使用不當而損壞,同時由於未配備必要的制動單元和濾波器,可能會引起安全風險。
【應對策略:】針對負載的特性和類型,合理選用變頻器的容量和配置。
(1)風機和水泵是最普通的負載:對變頻器的要求最為簡單,只要變頻器容量等於電動機容量即可(空壓機、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂噴泉需加大容量)。
(2)起重機類負載:這類負載的特點是啟動時衝擊很大,因此要求變頻器有一定餘量。同時,在重物下放肘,會有能量回饋,因此要使用制動單元或採用共用母線方式。
(3)不均行負載:有的負載有時輕,有時重,此時應按照重負載的情況來選擇變頻器容量,例如軋鋼機機械、粉碎機械、攪拌機等。
(4)大慣性負載:如離心機、衝床、水泥廠的旋轉窯,此類負載慣性很大,因此啟動時可能會振盪,電動機減速時有能量回饋……應該用容量稍大的變頻器來加快啟動,避免振盪。配合制動單元消除回饋電能。
結束語
變頻器在於其他智慧設備(PLC、DCS系統)配合後,可實現多重控制策略和閉環調節,其本身也具備較為完善的保護功能。但在實際應用和安裝環境中,卻存在許多誤區。正視矛盾的所在,規避風險,合理運用,才是提高變頻器效率和使用壽命的關鍵。