變頻器的應(yīng)用誤區(qū)
2010-04-21
[1955]
變頻器的應(yīng)用誤區(qū)1，設(shè)備工作原理簡(jiǎn)介。
一些文獻(xiàn)宣稱(chēng)變頻調(diào)速器是節(jié)電控制產(chǎn)品，給人的感覺(jué)是只要使用變頻調(diào)速器都能節(jié)電。
實(shí)際上，變頻調(diào)速器之所以能夠節(jié)電，是因?yàn)槠淠軐?duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。如果說(shuō)變頻調(diào)速器是節(jié)電控制產(chǎn)品的話，那么所有的調(diào)速設(shè)備也都可以說(shuō)是節(jié)電控制產(chǎn)品。變頻調(diào)速器只不過(guò)比其它調(diào)速設(shè)備效率和功率因數(shù)略高罷了。
變頻調(diào)速器能否實(shí)現(xiàn)節(jié)電，是由其負(fù)載的調(diào)速特性決定的。對(duì)于離心風(fēng)機(jī)、離心水泵這類(lèi)負(fù)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(lái)采用閥門(mén)控制流量，且不是滿(mǎn)負(fù)荷工作，改為調(diào)速運(yùn)行，均能實(shí)現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來(lái)的80%時(shí)，功率只有原來(lái)的51.2%？梢(jiàn)，變頻調(diào)速器在這類(lèi)負(fù)載中的應(yīng)用，節(jié)電效果zui為明顯。對(duì)于羅茨風(fēng)機(jī)這類(lèi)負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)，即恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。若原來(lái)采用放風(fēng)閥放走多余風(fēng)量的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，改為調(diào)速運(yùn)行，也能實(shí)現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來(lái)的80%時(shí)，功率為原來(lái)的80%。比在離心風(fēng)機(jī)、離心水泵中的應(yīng)用節(jié)電效果要小得多。對(duì)于恒功率負(fù)載，功率與轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)。水泥廠恒功率負(fù)載，如配料皮帶秤，在設(shè)定流量一定的條件下，當(dāng)料層厚時(shí)，皮帶速度減慢；當(dāng)料層薄時(shí)，皮帶速度加快。變頻調(diào)速器在這類(lèi)負(fù)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(dòng)機(jī)比交流電動(dòng)機(jī)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(chēng)使用交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速器比使用直流電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速器要節(jié)電，理論和實(shí)踐證明，這是不正確的。
誤區(qū)2、變頻器的容量選擇以電動(dòng)機(jī)額定功率為依據(jù)
相對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速器的價(jià)格較貴，因此在保證安全可靠運(yùn)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(dòng)機(jī)的功率。
由于同容量電動(dòng)機(jī)，其極數(shù)不同，電動(dòng)機(jī)額定電流不同。隨著電動(dòng)機(jī)極數(shù)的增多，電動(dòng)機(jī)額定電流增大。變頻調(diào)速器的容量選擇不能以電動(dòng)機(jī)額定功率為依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于原來(lái)未采用變頻器的改造項(xiàng)目，變頻調(diào)速器的容量選擇也不能以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)。這是因?yàn)椋妱?dòng)機(jī)的容量選擇要考慮zui大負(fù)荷、富裕系數(shù)、電動(dòng)機(jī)規(guī)格等因素，往往富裕量較大，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)常常在50%～60%額定負(fù)荷下運(yùn)行。若以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)來(lái)選擇變頻調(diào)速器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，而可靠性并沒(méi)有因此得到提高。
對(duì)于鼠籠式電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的zui大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以zui大限度地節(jié)約資金。對(duì)于重載起動(dòng)、高溫環(huán)境、繞線式電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)等條件下，變頻調(diào)速器的容量應(yīng)適當(dāng)加大。
對(duì)于一開(kāi)始就采用變頻器的設(shè)計(jì)中，變頻器容量的選擇以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)無(wú)可厚非。這是因?yàn)榇藭r(shí)變頻器容量不能以實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)選擇。當(dāng)然，為了減少投資，在有些場(chǎng)合，也可先不確定變頻器的容量，等設(shè)備實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，再根據(jù)實(shí)際電流進(jìn)行選擇。
內(nèi)蒙古某水泥公司Φ24m×13m水泥磨二級(jí)粉磨系統(tǒng)中，有1臺(tái)國(guó)產(chǎn)N－1500型O－Sepa選粉機(jī)，配用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y2－315M－4型，電動(dòng)機(jī)功率為132kW，卻選用FRN160－P9S－4E型變頻器，這種變頻器適用于4極、功率為160kW電動(dòng)機(jī)。投入運(yùn)行后，zui大工作頻率48Hz，電流只有180A，不到電動(dòng)機(jī)額定電流的70%，電動(dòng)機(jī)本身已有相當(dāng)?shù)母辉Ａ。而變頻器選用規(guī)格又比拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)大1個(gè)等級(jí)，造成不應(yīng)有的浪費(fèi)，可靠性不會(huì)因此而提高。
安徽巢湖水泥廠3號(hào)石灰石破碎機(jī)，其喂料系統(tǒng)采用1500×12000板式喂料機(jī)，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用Y225M－4型交流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定功率45kW，額定電流為84.6A。在進(jìn)行變頻調(diào)速改造前，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，板式喂料機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相平均電流僅30A，只有電動(dòng)機(jī)額定電流的35.5%。為了節(jié)省投資，選用ACS601－0060－3型變頻器，該變頻器額定輸出電流為76A，適用于4極、功率為37kW電動(dòng)機(jī)，取得了較好的使用效果。
這2個(gè)例子一反一正說(shuō)明了，對(duì)于原來(lái)未采用變頻器的改造項(xiàng)目，變頻器的容量以實(shí)際工況為依據(jù)來(lái)選擇可大幅度減少投資。
誤區(qū)3、用視在功率計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能收益
用視在功率計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能效果。如文獻(xiàn)[1]原系統(tǒng)風(fēng)機(jī)工頻滿(mǎn)載工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流為289A，采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)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。節(jié)能計(jì)算如下：ΔS=UI=×380×（289－257）=21kVA
因此該文認(rèn)為其節(jié)能效果約為單機(jī)容量的11%左右。
實(shí)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(shí)，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zui大輸出能力，而不能反映電動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗的功率。電動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中，雖用實(shí)際電流計(jì)算，但計(jì)算的是視在功率，而不是有功功率。我們知道，電動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗的功率是由風(fēng)機(jī)及其負(fù)載決定的。功率因數(shù)的提高并沒(méi)有改變風(fēng)機(jī)的負(fù)載，也沒(méi)有提高風(fēng)機(jī)的效率，風(fēng)機(jī)實(shí)際消耗的功率沒(méi)有減少。功率因數(shù)提高后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也沒(méi)有改變，電動(dòng)機(jī)定子電流并沒(méi)有減少，電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率和無(wú)功功率都沒(méi)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(wú)功功率供給了電動(dòng)機(jī)消耗。隨著功率因數(shù)提高，變頻器的實(shí)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(shí)，負(fù)荷電流減小，給變頻器供電的變壓器、開(kāi)關(guān)、接觸器、導(dǎo)線等配電設(shè)備可以帶更多的負(fù)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(mǎn)載運(yùn)行時(shí)，不僅沒(méi)有節(jié)能，而且還費(fèi)電。因此，用視在功率計(jì)算節(jié)能效果是不對(duì)的。
某水泥廠離心風(fēng)機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y280S－4，額定功率為75kW，額定電壓380V，額定電流140A。在進(jìn)行變頻調(diào)速改造前，閥門(mén)全開(kāi)，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)電流70A，只有50%負(fù)荷，功率因數(shù)為0.49，有功功率為22.6kW，視在功率為4607kVA。在采用變頻調(diào)速改造后，閥門(mén)全開(kāi)，額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，三相電網(wǎng)平均電流為37A，從而認(rèn)為節(jié)電（70－37）÷70×100%=44.28%。這樣計(jì)算，看似合理，實(shí)質(zhì)上仍是以視在功率計(jì)算節(jié)能效果。該廠在進(jìn)一步測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，此時(shí)功率因數(shù)為0.94，有功功率為22.9kW，視在功率為24.4kVA？梢(jiàn)，有功功率增加，不但沒(méi)有節(jié)電，反而費(fèi)電。有功功率增加的原因是考慮了變頻器的損耗，而沒(méi)有考慮線損和變壓器銅耗的節(jié)約。產(chǎn)生這種錯(cuò)誤的關(guān)鍵在于沒(méi)有考慮功率因數(shù)提高對(duì)電流下降的影響，默認(rèn)功率因數(shù)不變，從而片面夸大了變頻器的節(jié)能效果。因此，在計(jì)算節(jié)能效果時(shí)，必須用有功功率，不能用視在功率。
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(shuō)明書(shū)都指出，變頻調(diào)速器輸出側(cè)不能加裝接觸器。如**安川變頻器說(shuō)明書(shū)就規(guī)定“切勿在輸出回路連接電磁開(kāi)關(guān)、電磁接觸器”。
廠家的規(guī)定是為了防止在變頻調(diào)速器有輸出時(shí)接觸器動(dòng)作。變頻器在運(yùn)行中連接負(fù)載，會(huì)由于漏電流而使過(guò)電流保護(hù)回路動(dòng)作。那么，只要在變頻調(diào)速器輸出與接觸器動(dòng)作之間，加以必要的控制聯(lián)鎖，保證只有在變頻調(diào)速器無(wú)輸出時(shí)，接觸器才能動(dòng)作，變頻調(diào)速器輸出側(cè)就可以加裝接觸器。這種方案對(duì)于只有1臺(tái)變頻調(diào)速器，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)（1臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)電動(dòng)機(jī)備用）的場(chǎng)合，具有重要的意義。當(dāng)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以很方便地將變頻器切換到備用電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)延時(shí)使變頻器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)備用電動(dòng)機(jī)自動(dòng)投入變頻運(yùn)行。并且還可以很方便地實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的互為備用。
誤區(qū)5、 通用電動(dòng)機(jī)只能在其額定轉(zhuǎn)速以下采用變頻調(diào)速器降速運(yùn)行
經(jīng)典理論認(rèn)為，通用電動(dòng)機(jī)頻率上限為55Hz。這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需要調(diào)到額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，定子頻率將增加到高于額定頻率（50Hz）。這時(shí)，若仍按恒轉(zhuǎn)矩原則控制，則定子電壓將升高超過(guò)額定電壓。那么，當(dāng)調(diào)速范圍高于額定轉(zhuǎn)速時(shí),須保持定子電壓為額定電壓不變。這時(shí)，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(jī)械特性變軟，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大幅度減少。
由此可見(jiàn)，通用電動(dòng)機(jī)頻率上限為55Hz是有前提條件的：
1、定子電壓不能超過(guò)額定電壓；
2、電動(dòng)機(jī)在額定功率運(yùn)行；
3、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
上述情況下，理論和試驗(yàn)證明，若頻率超過(guò)55Hz，將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變小，機(jī)械特性變軟，過(guò)載能力下降，鐵耗急增，發(fā)熱嚴(yán)重。
筆者認(rèn)為，電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況表明，通用電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)變頻調(diào)速器進(jìn)行提速運(yùn)行。能否變頻提速?能提多少?主要是由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載來(lái)決定的。首先，要弄清負(fù)荷率是多少?其次，要搞清楚負(fù)載特性，根據(jù)負(fù)載的具體情況，進(jìn)行推算。簡(jiǎn)單分析如下：
1、事實(shí)上，對(duì)于380V通用電動(dòng)機(jī)，定子電壓超過(guò)額定電壓10%*運(yùn)行是可以的，對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣及壽命沒(méi)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(dòng)機(jī)負(fù)荷率通常為50%～60%
一般情況下，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)通常在50%～60%額定功率下工作。經(jīng)推算，電動(dòng)機(jī)輸出功率為70%額定功率，定子電壓提高7%時(shí)，定子電流下降26.4%，此時(shí)，即使是恒轉(zhuǎn)矩控制，采用變頻調(diào)速器提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速20%，定子電流也不但不會(huì)上升，反而會(huì)下降。盡管提高頻率后，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)繞組溫度也將明顯下降。
3、負(fù)載特性各種各樣
電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)是為負(fù)載服務(wù)的，不同的負(fù)載，機(jī)械特性不同。電動(dòng)機(jī)在提速后必須滿(mǎn)足負(fù)載機(jī)械特性的要求。經(jīng)推算恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不同負(fù)荷率（k）時(shí)的允許zui高運(yùn)行頻率（fmax）與負(fù)荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe為額定工頻。對(duì)恒功率負(fù)載，通用電動(dòng)機(jī)的允許zui高工作頻率主要受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的機(jī)械強(qiáng)度限制，筆者認(rèn)為一般限制在100Hz以?xún)?nèi)為宜。
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