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水泥企業(yè)變頻器的選擇 摘 要:
水泥企業(yè)為達(dá)到提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能量的目的，必須正確選擇系統(tǒng)配置，特別是選擇這種系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)和變頻器，涉及可靠性、性能和價(jià)格三方面的因素。
1．變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇
變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負(fù)載及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)不僅要考慮驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載和使其加速所需的電機(jī)容量，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境選擇應(yīng)的電機(jī)防護(hù)等級(jí)。另外，由于這時(shí)電機(jī)不是由電網(wǎng)供電，而是由變頻器供電(即在變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，大部分時(shí)間里該電動(dòng)機(jī)不是工作在該電機(jī)設(shè)計(jì)制造的額定工況)，會(huì)帶來諧波、電磁干擾，也許會(huì)出現(xiàn)局部過電壓、過電流等問題。同時(shí)，也須考慮讓變頻器盡量減少諧波、電磁干擾等帶來的不良影響。
1.1電動(dòng)機(jī)容量的選擇
(1)選擇因素
水泥企業(yè)電機(jī)負(fù)載均很大，加之工藝過程波動(dòng)很大。在選擇電機(jī)容量時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：
①電機(jī)的容量應(yīng)大于負(fù)載所需的功率。
②電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于負(fù)載的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并要有足夠的裕量。
③若電源電壓下降了10％時(shí)，電機(jī)仍能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
④電機(jī)應(yīng)在規(guī)定的溫升范圍內(nèi)使用。
⑤針對(duì)負(fù)載的性質(zhì)，選擇適合的電機(jī)運(yùn)行方式。
實(shí)際上，在選擇用于變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)時(shí)，要在考慮有諧波條件下，電動(dòng)機(jī)的電氣、發(fā)熱和機(jī)械出力三個(gè)方面的綜合狀況。特別在中、大型電動(dòng)機(jī)中，要考慮過電壓毛刺對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的影響，諧波成分對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升的影響，轉(zhuǎn)速調(diào)低(低頻下)對(duì)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)冷卻的影響，在調(diào)速條件下對(duì)軸力矩的影響。
2.變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的選擇
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的功能、性能得到了很大的提高。根據(jù)其性能及控制方式不同可分為：通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次為v／f(常熟控制)控制、電壓型PWM控制、矢量控制等。用戶可根據(jù)生產(chǎn)的需要，在變頻器性能規(guī)格、容量等方面進(jìn)行選擇。
2.1變頻器種類的選擇
根據(jù)負(fù)載機(jī)械的工作特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)調(diào)速范圍、調(diào)速精度和經(jīng)濟(jì)性的要求，用戶可以選擇不同種類的變頻器來控制調(diào)速運(yùn)行。
(1)通用型變頻器
一般采用v／f控制方式，適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載場(chǎng)合。其節(jié)能效果顯著，調(diào)速范圍和調(diào)速精度較低，因此成本較低。
(2)多功能通用變頻器
多功能變頻器主要適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化，自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、升降機(jī)、搬運(yùn)系統(tǒng)、小型CNC機(jī)床、擠壓成型機(jī)、紡織及包裝機(jī)械等高速、高效需求。水泥企業(yè)一般采用通用型變頻器較多，多功能通用變頻器應(yīng)用較少。
2.2 變頻器的規(guī)格和指標(biāo)
在選擇變頻器時(shí)，會(huì)接觸到許多生產(chǎn)廠家提供的各類變頻器的產(chǎn)品樣本，這些樣本主要介紹變頻器的系列型號(hào)、特點(diǎn)以及各種功能和指標(biāo)。用戶根據(jù)自己的實(shí)際需要，就這些產(chǎn)品的性能、指標(biāo)進(jìn)行比較、篩選，以確定適合于自己的變頻器。
(1)型號(hào)
一般為廠家自定的系列名稱，包括電壓等級(jí)和可適配電機(jī)的容量。
(2)電壓級(jí)別
根據(jù)各國(guó)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或用途不同，其電壓級(jí)別也各不相同，在選變頻器時(shí)，首先應(yīng)注意其電壓級(jí)別是否與電源電壓和電機(jī)的電壓相適合。
(3)最大適配電機(jī)
在最大適配電機(jī)一欄中，通常給出最大適配電機(jī)的容量。應(yīng)該注意這個(gè)容量一般以4極普通異步電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，而同容量的6極以上電機(jī)和變極電機(jī)等電機(jī)的額定電流比4極普通異步電動(dòng)機(jī)的額定電流大，因此，在驅(qū)動(dòng)4極以上電機(jī)時(shí)就不能單單以此項(xiàng)指標(biāo)選擇變頻器，同時(shí)還要核對(duì)變頻器的額定輸出電流是否滿足電動(dòng)機(jī)的額定電流。
(4)電源
變頻器對(duì)電源的要求主要有電壓／頻率、允許電壓變化率和允許頻率變化率等三個(gè)方面。通常對(duì)電壓及頻率變化率的要求分別為±l0％和5％。如果用戶安裝變頻器的所在地點(diǎn)的供電電源電壓波動(dòng)超出通常規(guī)定的范圍(或上限或下限)，應(yīng)同供貨廠家討論。
(5)控制特性
①.電壓型還是電流型。
②.PAM、PWM或SPWM調(diào)節(jié)方式。
③.V／f控制，轉(zhuǎn)差頻率控制方式或矢量控制。
④.輸出頻率范圍，一般最低為0.1Hz，最高頻率因變頻器性髓而異，該調(diào)速范圍應(yīng)滿足用戶的應(yīng)用需要，同時(shí)要了解在所用系統(tǒng)中，在該頻率范圍內(nèi)是否有機(jī)械共振或出現(xiàn)轉(zhuǎn)速振蕩的可能。
⑤.輸出頻率分辨率，設(shè)定頻率的分辨率，輸出頻率的精度。
⑥.頻率設(shè)定方式。有自身的參數(shù)設(shè)定，電位器設(shè)定，外部(0～5V、4～20mA)設(shè)定以及上位機(jī)發(fā)送的RS－232和RS－485等信號(hào)設(shè)定。
⑦.電壓／頻率特性。變頻器中存有多種V／f特性，如轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)，平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載節(jié)能特性等供用戶選擇。
⑧.載頻頻率。載頻頻率的高低標(biāo)志著輸出波形的質(zhì)量，早期的GTR型變頻器的載頻頻率為1～3kHz，目前常采用IGBT，載頻頻率可達(dá)10～20kHz，另外還有同步調(diào)制和異步調(diào)制之分。
⑨.過載能力。變頻器所允許的過載電流以額定電流的百分?jǐn)?shù)和允許時(shí)間來表示。一般變頻器的過載能力為額定電流的l50％，持續(xù)60s。
⑩.加減速時(shí)間設(shè)定。加速、減速時(shí)間作為基本功能可分別設(shè)定。高性能變頻器還具有曲線加速，多擋加、減速時(shí)間設(shè)定以及外部控制加減速功能。
⑾.制動(dòng)方式。變頻器的電氣制動(dòng)一般分為能耗制動(dòng)或再生反饋制動(dòng)。能耗制動(dòng)時(shí)不加外接制動(dòng)電阻的場(chǎng)合制動(dòng)力約為20％，加外接制動(dòng)電阻時(shí)制動(dòng)力可達(dá)100％。能耗制動(dòng)用于制動(dòng)頻率不高的場(chǎng)合。從節(jié)能的角度來看，再生反饋制動(dòng)是最好的方式，但是相對(duì)較為復(fù)雜，價(jià)格也較高，主要用于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的場(chǎng)合。
⑿.運(yùn)行控制方式。變頻器應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的有觸點(diǎn)控制的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸入功能，同時(shí)還可對(duì)停止的方式進(jìn)行設(shè)定，如自由停止還是加速停止。另外通常還具有通過參數(shù)設(shè)定或由外部信號(hào)選擇多級(jí)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)功能。
⒀.變頻器的保護(hù)。欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、失速保護(hù)、過熱保護(hù)以及再啟動(dòng)功能等。
2.3變頻器容量的選擇
在確定系統(tǒng)中變頻器的容量時(shí)應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的容量、電動(dòng)機(jī)的額定電流、加速時(shí)間等幾方面因素。下面就如何選定通用型變頻器容量做一些簡(jiǎn)單介紹。
2.5高壓變頻器的選型
近年來水泥行業(yè)隨著電價(jià)的不斷攀升，高壓變頻節(jié)能技術(shù)越來越受到人們的親睞，訂貨數(shù)量不斷增加。本文從電壓等級(jí)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式等幾方面提出建議，供水泥企業(yè)選型時(shí)參考。
(1)電壓等級(jí)
我國(guó)高壓電機(jī)常用電壓等級(jí)為6kV和10kV，另有少量3kV等級(jí)的高壓電機(jī)。絕大部分的高壓變頻器輸入都有一個(gè)隔離變壓器，所以變頻器輸入電壓通常能滿足不同電網(wǎng)電壓等級(jí)的要求。變頻器的輸出電壓等級(jí)選擇通常按照技改項(xiàng)目和新建項(xiàng)目有不同的選擇原則。對(duì)于技改項(xiàng)目，本來電機(jī)工頻運(yùn)行，由于通常不會(huì)更換電機(jī)，加裝變頻器后，要求變頻器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓一致，通常為6kV或10kV。對(duì)于新建項(xiàng)目，如果不需要工頻旁路，電機(jī)電壓可以配合變頻器進(jìn)行優(yōu)化，如對(duì)于中小功率可選擇2.3kV或3kV輸出電壓等級(jí)，以降低成本。如果需要工頻旁路，建議變頻器輸出電壓等級(jí)和電網(wǎng)電壓一致，否則旁路比較復(fù)雜。
(2)電壓源型和電流源型
目前絕大部分的高壓變頻器均屬于交直交型變頻器，按中間直流環(huán)節(jié)所用儲(chǔ)能元件的不同，可分為電壓源型和電流源型。
目前主要的電流源型變頻器為SGCT-PWM電流源型變頻器。電流源型變頻器的優(yōu)點(diǎn)是能量可以回饋電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。電源側(cè)常采用三相橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波較大，為了降低諧波成分，可采取多重化，有時(shí)還必須加輸入濾波裝置。輸入功率因數(shù)一般較低，通常要附加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。由于不像電壓源變頻器，在直流環(huán)節(jié)的大濾波電容能存儲(chǔ)較大的能量，電流源變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較為敏感，電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大時(shí)容易停機(jī)，是個(gè)比較大的缺點(diǎn)。
若整流電路也采用SGCT做電流PWM控制，可以得到較低的輸入電流諧波和較高的輸入功率因數(shù)，并且可省去輸入隔離變壓器。但PWM整流會(huì)導(dǎo)致變頻器效率有一定程度下降。
(3)V/F控制和無速度傳感器矢量控制
無速度傳感器矢量控制技術(shù)能在基本不增加硬件成本的情況下，大大提高變頻器的性能。即使用在風(fēng)機(jī)水泵等穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求相對(duì)較低的負(fù)載場(chǎng)合，無速度傳感器矢量控制具有的轉(zhuǎn)矩限幅、快速轉(zhuǎn)速跟蹤再起動(dòng)等功能有效地防止加速過程的過電流跳機(jī)和減速過程中的過電壓跳機(jī)和其它不正常的停機(jī)現(xiàn)象，對(duì)于保證變頻器的可靠運(yùn)行有非常重要的意義。目前如西門子、Rockwell、通用廣電、三墾等廠家都能提供無速度傳感器矢量控制的高壓變頻器。ABB能提供采用直接轉(zhuǎn)矩控制的高性能變頻器。無速度傳感器矢量控制通常可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%。
(4)對(duì)電網(wǎng)諧波污染和輸入功率因數(shù)
對(duì)電網(wǎng)的諧波污染主要取決于整流電路的結(jié)構(gòu)和特性。減少電網(wǎng)諧波污染的主要方式有兩種：多重化整流和PWM整流。單元串聯(lián)多電平高壓變頻器通常整流脈沖數(shù)較多，對(duì)電網(wǎng)諧波污染較小。為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，電流源型變頻器通常采用18脈沖整流。三電平電壓源型變頻器至少需要12脈沖以上，要求高時(shí)可采用24脈沖。
電壓源型高壓變頻器由于采用二極管不可控整流，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都有較高的功率因數(shù)，基波功率因數(shù)一般可保持在0.95以上，一般也不必設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。電流源型變頻器采用晶閘管整流時(shí)，由于晶閘管觸發(fā)角導(dǎo)致的電流滯后，功率因數(shù)較低，且會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，往往需要功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。PWM整流能有效減少諧波，功率因數(shù)可調(diào)，且能量可雙向流動(dòng)。缺點(diǎn)是成本增加，效率下降。
(5)輸出波形及對(duì)電機(jī)適用性
輸出諧波對(duì)電機(jī)的影響主要有：引起電機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)的額外升溫，電機(jī)往往要降額使用，諧波還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音增加。dv/dt和共模電壓會(huì)影響電機(jī)絕緣。
普通的二電平和三電平PWM電壓源型變頻器由于輸出電壓跳變臺(tái)階較大，相電壓的跳變分別達(dá)到直流母線電壓和直流母線電壓的一半，會(huì)產(chǎn)生較大的dv/dt。較大的dv/dt會(huì)影響電機(jī)的絕緣。所以這種變頻器一般需要特殊設(shè)計(jì)的電機(jī)，電機(jī)絕緣必須加強(qiáng)。如果要使用普通電機(jī)，必須附加輸出dv/dt濾波器。
單元串聯(lián)多電平高壓變頻器由于輸出電壓臺(tái)階多、等效開關(guān)頻率高，輸出波形得到極大改善。輸出諧波、噪聲、dv/dt和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)均很小。所以這種變頻器不加濾波器就可用于任何普通的高壓電機(jī),且不必降額使用。
當(dāng)沒有輸入變壓器時(shí)，共模電壓會(huì)直接施加到電機(jī)上，增加繞組對(duì)地的絕緣應(yīng)力，引起絕緣擊穿，影響電機(jī)的使用壽命（也有采用共模電抗器方案，一定程度上減緩共模電壓的影響）。如果設(shè)置輸入變壓器，則共模電壓由輸入變壓器和電機(jī)共同來承擔(dān)，且主要由輸入變壓器承擔(dān)。
(6)國(guó)產(chǎn)品牌和進(jìn)口品牌
現(xiàn)在，隨著國(guó)內(nèi)高壓變頻器行業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)主流高壓變頻器在功能、可靠性等方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平，在成本和服務(wù)方面則占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)，水泥行業(yè)在中小功率的常規(guī)應(yīng)用（風(fēng)機(jī)、水泵）方面，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器已能完全滿足用戶要求。 |
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