于堅(jiān)煒

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

淺析變頻器在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

于堅(jiān)煒

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

眾所周知，在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，特別是在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)物料的壓力、液位、流量要進(jìn)行嚴(yán)格地配量操作，對(duì)復(fù)雜的操作過(guò)程，傳統(tǒng)方式是采用固定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)，用控制閥控制管道中流量的變化來(lái)完成整個(gè)過(guò)程的控制；隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道流量變化的控制。因此，對(duì)于許多專業(yè)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，如何正確、合理地應(yīng)用變頻器顯得十分重要。本文針對(duì)變頻器在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的一些問(wèn)題做了分析。

變頻器； 異步電動(dòng)機(jī)；外接控制回路

1 變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的意義

(1)變頻器的應(yīng)用是為了滿足提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動(dòng)化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；

(2)變頻器的應(yīng)用可以節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。

2 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的原理、特性及優(yōu)點(diǎn)

2.1 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的原理

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差率功率小，效率高。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特性

異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特性和基本要求是在基速(即電動(dòng)機(jī)自然機(jī)械特性速度)以下調(diào)速時(shí)要求保持電壓和頻率的比值為定值V/F≈常數(shù)，電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性；在基速以上，電壓額定值一般不再升高，所以電動(dòng)機(jī)磁通將隨頻率的調(diào)高而減小，電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的特性。由于在低于基速時(shí)要求V/F為定值，故常用的變頻裝置為VVVF(Variable Voltage Variable Fraquency)變壓變頻控制方式的變頻器。

由式n=60f1/p[1]

n——轉(zhuǎn)速；

f1——頻率；

P——極對(duì)數(shù)

可以看出，若均勻地改變供電頻率f1,即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，因此，它可以通用于各種異步電動(dòng)機(jī)。

(3)變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)

(1)較高的效率和功率因數(shù)。由于異步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速過(guò)程中總是運(yùn)行在很小的轉(zhuǎn)差率情況下，此時(shí)轉(zhuǎn)子的等效電阻很大，轉(zhuǎn)子回路基本上是電阻性的，因而功率因數(shù) COSφ也高。

(2)調(diào)速范圍寬。頻率可以在低于和高于工頻電源頻率的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，低頻率從幾赫茲開(kāi)始，高頻則可達(dá)幾百赫茲，因而具有較寬的調(diào)速范圍。

(3) 調(diào)速精度高。由于采用微機(jī)控制，變頻調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)已有相當(dāng)?shù)木龋舨捎盟俣乳]環(huán)控制，則可達(dá)到很高的調(diào)速精度。

3 變頻器的選型

3.1 變頻器額定容量的選擇

選擇變頻器時(shí)，應(yīng)以電動(dòng)機(jī)的額定電流和負(fù)載特性為依據(jù)選擇變頻器的額定容量。變頻器的容量通常是以“千瓦”數(shù)及相應(yīng)的額定電流標(biāo)注的，對(duì)于三相變頻器而言，該"千瓦"數(shù)是指該變頻器可以適配的三相異步電動(dòng)機(jī)滿載連續(xù)運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率。由于變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增加，應(yīng)適當(dāng)選擇大一檔容量的變頻器與電動(dòng)機(jī)相配合使用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作類型或重載起動(dòng)且頻繁工作類型時(shí)，可選取大一檔的變頻器與之配合使用，有益于變頻器長(zhǎng)期、安全地運(yùn)行。除上述情況外，必要時(shí)應(yīng)按下列情況選擇或校核需要的變頻器容量。

當(dāng)單臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)：IV≥kIN

式中：IV——變頻器額定輸出電流，A；

k——電流波形補(bǔ)償系數(shù)，一般取1.05～1.1；

IN——電動(dòng)機(jī)額定輸入電流，A。

從理論上講，如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載比其容量小，可以按照電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載功率來(lái)降低額定容量選擇變頻器，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下的峰值電流，如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程，運(yùn)行中的工藝轉(zhuǎn)換過(guò)程，負(fù)載變化等，且功率大的電動(dòng)機(jī)電流峰值也大，而這個(gè)峰值電流的幅值很難預(yù)測(cè)，有可能超過(guò)變頻器的允許值而造成故障。其次，如果選用變頻器容量偏小，往往不能滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩需要，造成起動(dòng)困難或低頻運(yùn)行不穩(wěn)定，因此降額選用變頻器時(shí)應(yīng)慎重考慮。

3.2 變頻器功能的選擇

選擇變頻器時(shí)，應(yīng)考慮負(fù)載最小和最大運(yùn)行速度極限。滿載低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能會(huì)過(guò)熱，所選變頻器應(yīng)有可設(shè)定下限頻率、可設(shè)定加速和減速時(shí)間的功能，以防止電動(dòng)機(jī)在低于設(shè)定頻率下運(yùn)行。一般風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載不宜在低于15Hz以下運(yùn)行，如果確實(shí)需要在15Hz以下長(zhǎng)期運(yùn)行，需考慮選擇變頻電動(dòng)機(jī)；如果電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能滿足要求，宜選用變頻器的降轉(zhuǎn)矩模式，以獲得較大的節(jié)能效果。

4 變頻器外接主電路

4.1 輸入側(cè)的接線

在電源和變頻器之間，通常接入低壓斷路器與交流接觸器構(gòu)成控制系統(tǒng)的主電路。交流接觸器的主要作用是達(dá)到自動(dòng)控制的目的，其次是當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能迅速切斷變頻器的電源起到保護(hù)作用；低壓斷路器除了其本身的功能外，還在安裝與維護(hù)變頻器時(shí)，起電源隔離作用。在變頻器控制柜中，主回路電源側(cè)不宜使用熔斷器，以防發(fā)生電源缺相故障。目前大部分變頻器已具備電源缺相保護(hù)的功能，但選擇電源開(kāi)關(guān)時(shí)也一定要使用低壓斷路器，避免出現(xiàn)缺相運(yùn)行的情況。因?yàn)殡娫慈毕鄷r(shí)，電動(dòng)機(jī)將由于電壓不平衡而使其轉(zhuǎn)矩下降，電流增大，甚至嚴(yán)重過(guò)電流，可能導(dǎo)致主電路整流元件和濾波電容的損壞。

4.2 輸出側(cè)的接線

在大多數(shù)情況下，變頻器的輸出側(cè)應(yīng)直接接至電動(dòng)機(jī)，一般不允許接入交流接觸器，因?yàn)樽冾l器本身對(duì)電動(dòng)機(jī)有著較強(qiáng)的保護(hù)功能，在線路短路、電動(dòng)機(jī)過(guò)載、缺相等故障出現(xiàn)時(shí)，能自動(dòng)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)回路，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)及其本身，同時(shí)給出故障指示，根據(jù)故障編碼可以查找和排除故障。如必須接入交流接觸器時(shí)，應(yīng)確保先接通輸出側(cè)交流接觸器，后接通輸入側(cè)交流接觸器，加裝的交流接觸器的控制電壓應(yīng)引自電源，或另加控制電源，不能取變頻器輸出端的電壓，否則，交流接觸器不能正常工作。

變頻器的輸出側(cè)一般也不接熱繼電器，但如果用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，變頻器的電子熱保護(hù)設(shè)定值是全部電動(dòng)機(jī)的總和，對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)不起保護(hù)作用，就必須在每個(gè)電動(dòng)機(jī)上加裝熱繼電器，并且將熱繼電器的輔助報(bào)警觸點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，接入變頻器緊急停機(jī)輸入端，一旦任何一臺(tái)電動(dòng)機(jī)故障，熱繼電器動(dòng)作，變頻器將緊急停機(jī)，起到保護(hù)作用。

4.3 主電路電纜的選擇

(1) 在選擇主電路電纜截面時(shí)，和普通的動(dòng)力電纜選擇方式相同，應(yīng)考慮電路中的電流容量、短路保護(hù)、電路電壓損失，應(yīng)根據(jù)電纜的敷設(shè)方式和環(huán)境溫度將所選電纜的允許載流量乘以相應(yīng)的校正系數(shù)；

(2)在選擇變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的電纜時(shí)，當(dāng)配線距離較長(zhǎng)時(shí)，線路上的電壓損失較大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)因電壓過(guò)低而造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足、電流增加、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱等現(xiàn)象。所以，在決定變頻器與電動(dòng)機(jī)之間電纜截面時(shí)，最關(guān)鍵的因素是線路的電壓損失△U的影響。一般情況下：

△u%≤5%

△u%的計(jì)算公式為：△u%=3 1/2 (R0cosφ+X0sinφ)Il[2]

△u%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；

R0、X0——三相線路單位長(zhǎng)度的電阻和感抗，Ω/km；

I——負(fù)荷計(jì)算電流，A；

l——線路長(zhǎng)度，km。

4.4 控制電路電纜

在變頻器中，主回路及其直接相連的周邊設(shè)備處理的是強(qiáng)電信號(hào)，而控制電路以及與其直接相關(guān)的操作電路和周邊設(shè)備中所處理的信號(hào)為弱電信號(hào)。因此，為了保證變頻器正常工作，在控制電路的布線方面也應(yīng)充分注意，并采取必要的措施避免主電路及相關(guān)設(shè)備中的強(qiáng)電信號(hào)產(chǎn)生的干擾進(jìn)入控制電路。在控制電路的布線方面應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

(1)控制電路的布線應(yīng)和主電路電纜及其他動(dòng)力線分開(kāi)。

(2)為了避免因干擾信號(hào)造成的誤動(dòng)作，應(yīng)采用屏蔽電纜或雙絞電纜。

(3)布線距離應(yīng)以100m為參考基準(zhǔn)，當(dāng)布線距離超過(guò)100m時(shí)，使用信號(hào)絕緣器或繼電器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

(4)在連線時(shí)充分注意模擬信號(hào)線的極性。

(5)與控制電源本身以及和外部供電電源有關(guān)的電路應(yīng)選用截面在2.5mm2以上的電纜，操作電纜以及信號(hào)電路選用截面在1.5mm2以上的電纜。

5 變頻器的外接控制電路

圖1 變頻器的外接控制主回路關(guān)于變頻器的外接控制，以采用施奈德的ATV系列變頻器設(shè)計(jì)的一個(gè)工頻切換控制回路為例進(jìn)行說(shuō)明。變頻器必須滿足兩點(diǎn)控制要求：(1)用戶可根據(jù)工作需要選擇“工頻運(yùn)行”或“變頻運(yùn)行”；(2)在“變頻運(yùn)行”時(shí)，一旦變頻器因故障而跳閘時(shí)，可自動(dòng)切換為“工頻運(yùn)行”方式。

主回路如圖1所示，接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端，KM2用于將變頻器的輸出端接至電動(dòng)機(jī)，KM3用于將工頻電源直接接至電動(dòng)機(jī)，熱繼電器FH用于工頻運(yùn)行時(shí)的過(guò)載保護(hù)。對(duì)控制電路的要求是，接觸器KM2和KM3絕對(duì)不允許同時(shí)接通，互相間必須有可靠的互鎖。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，只有對(duì)變頻器的選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用得當(dāng)，才能發(fā)揮變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能、高效的作用；反之，可能會(huì)造成變頻器故障、電動(dòng)機(jī)損壞，影響企業(yè)正常生產(chǎn)，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。所以，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視變頻器在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

[1] 戴廣平.電動(dòng)機(jī)變頻器與電力拖動(dòng)[M]. 北京:中國(guó)石化出版社, 1999.

[2] 中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研總院有限公司組,工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版.北京：中國(guó)電力出版社，2016.

(本文文獻(xiàn)格式：于堅(jiān)煒.淺析變頻器在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(12)：151-152，159.)

2017-04-27

于堅(jiān)煒(1983—)，江蘇南京人，中級(jí)工程師，本科學(xué)歷，就職于中石化南京工程有限公司，研究方向?yàn)楣S供配電工程。

TM921.51;TQ08

A

1008-021X(2017)12-0151-02