變頻器的應(yīng)用誤區(qū)
2010-04-21
[1963]
變頻器的應(yīng)用誤區(qū)1，設(shè)備工作原理簡介。
一些文獻(xiàn)宣稱變頻調(diào)速器是節(jié)電控制產(chǎn)品，給人的感覺是只要使用變頻調(diào)速器都能節(jié)電。
實際上，變頻調(diào)速器之所以能夠節(jié)電，是因為其能對電動機進(jìn)行調(diào)速。如果說變頻調(diào)速器是節(jié)電控制產(chǎn)品的話，那么所有的調(diào)速設(shè)備也都可以說是節(jié)電控制產(chǎn)品。變頻調(diào)速器只不過比其它調(diào)速設(shè)備效率和功率因數(shù)略高罷了。
變頻調(diào)速器能否實現(xiàn)節(jié)電，是由其負(fù)載的調(diào)速特性決定的。對于離心風(fēng)機、離心水泵這類負(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。只要原來采用閥門控制流量，且不是滿負(fù)荷工作，改為調(diào)速運行，均能實現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時，功率只有原來的51.2%？梢姡冾l調(diào)速器在這類負(fù)載中的應(yīng)用，節(jié)電效果zui為明顯。對于羅茨風(fēng)機這類負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)，即恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。若原來采用放風(fēng)閥放走多余風(fēng)量的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，改為調(diào)速運行，也能實現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時，功率為原來的80%。比在離心風(fēng)機、離心水泵中的應(yīng)用節(jié)電效果要小得多。對于恒功率負(fù)載，功率與轉(zhuǎn)速的大小無關(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，皮帶速度減慢；當(dāng)料層薄時，皮帶速度加快。變頻調(diào)速器在這類負(fù)載中的應(yīng)用，不能節(jié)電。
與直流調(diào)速系統(tǒng)比較，直流電動機比交流電動機效率高、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，宣稱使用交流異步電動機和變頻調(diào)速器比使用直流電動機和直流調(diào)速器要節(jié)電，理論和實踐證明，這是不正確的。
誤區(qū)2、變頻器的容量選擇以電動機額定功率為依據(jù)
相對于電動機來說，變頻調(diào)速器的價格較貴，因此在保證安全可靠運行的前提下，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極交流異步電動機的功率。
由于同容量電動機，其極數(shù)不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數(shù)的增多，電動機額定電流增大。變頻調(diào)速器的容量選擇不能以電動機額定功率為依據(jù)。同時，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻調(diào)速器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據(jù)。這是因為，電動機的容量選擇要考慮zui大負(fù)荷、富裕系數(shù)、電動機規(guī)格等因素，往往富裕量較大，工業(yè)用電動機常常在50%～60%額定負(fù)荷下運行。若以電動機額定電流為依據(jù)來選擇變頻調(diào)速器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟上的浪費，而可靠性并沒有因此得到提高。
對于鼠籠式電動機，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機的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。對于重載起動、高溫環(huán)境、繞線式電動機、同步電動機等條件下，變頻調(diào)速器的容量應(yīng)適當(dāng)加大。
對于一開始就采用變頻器的設(shè)計中，變頻器容量的選擇以電動機額定電流為依據(jù)無可厚非。這是因為此時變頻器容量不能以實際運行情況來選擇。當(dāng)然，為了減少投資，在有些場合，也可先不確定變頻器的容量，等設(shè)備實際運轉(zhuǎn)一段時間后，再根據(jù)實際電流進(jìn)行選擇。
內(nèi)蒙古某水泥公司Φ24m×13m水泥磨二級粉磨系統(tǒng)中，有1臺國產(chǎn)N－1500型O－Sepa選粉機，配用電動機型號為Y2－315M－4型，電動機功率為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電動機。投入運行后，zui大工作頻率48Hz，電流只有180A，不到電動機額定電流的70%，電動機本身已有相當(dāng)?shù)母辉Ａ。而變頻器選用規(guī)格又比拖動電動機大1個等級，造成不應(yīng)有的浪費，可靠性不會因此而提高。
安徽巢湖水泥廠3號石灰石破碎機，其喂料系統(tǒng)采用1500×12000板式喂料機，拖動電動機選用Y225M－4型交流電動機，電動機額定功率45kW，額定電流為84.6A。在進(jìn)行變頻調(diào)速改造前，通過測試發(fā)現(xiàn)，板式喂料機拖動電動機正常運行時，三相平均電流僅30A，只有電動機額定電流的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電動機，取得了較好的使用效果。
這2個例子一反一正說明了，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻器的容量以實際工況為依據(jù)來選擇可大幅度減少投資。
誤區(qū)3、用視在功率計算無功補償節(jié)能收益
用視在功率計算無功補償節(jié)能效果。如文獻(xiàn)[1]原系統(tǒng)風(fēng)機工頻滿載工作時，電動機運行電流為289A，采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載運行時的功率因數(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)能效果約為單機容量的11%左右。
實際分析：S即表示視在功率，即電壓與電流的乘積，電壓相同時，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，而不能反映電動機實際消耗的功率。電動機實際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中，雖用實際電流計算，但計算的是視在功率，而不是有功功率。我們知道，電動機實際消耗的功率是由風(fēng)機及其負(fù)載決定的。功率因數(shù)的提高并沒有改變風(fēng)機的負(fù)載，也沒有提高風(fēng)機的效率，風(fēng)機實際消耗的功率沒有減少。功率因數(shù)提高后，電動機運行狀態(tài)也沒有改變，電動機定子電流并沒有減少，電動機消耗的有功功率和無功功率都沒有改變。功率因數(shù)提高的原因是變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生無功功率供給了電動機消耗。隨著功率因數(shù)提高，變頻器的實際輸入電流減少，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，負(fù)荷電流減小，給變頻器供電的變壓器、開關(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滿載運行時，不僅沒有節(jié)能，而且還費電。因此，用視在功率計算節(jié)能效果是不對的。
某水泥廠離心風(fēng)機拖動電動機型號為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，閥門全開，通過測試發(fā)現(xiàn)，電動機電流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，閥門全開，額定轉(zhuǎn)速運行時，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%。這樣計算，看似合理，實質(zhì)上仍是以視在功率計算節(jié)能效果。該廠在進(jìn)一步測試后發(fā)現(xiàn)，此時功率因數(shù)為0.94，有功功率為22.9kW，視在功率為24.4kVA。可見，有功功率增加，不但沒有節(jié)電，反而費電。有功功率增加的原因是考慮了變頻器的損耗，而沒有考慮線損和變壓器銅耗的節(jié)約。產(chǎn)生這種錯誤的關(guān)鍵在于沒有考慮功率因數(shù)提高對電流下降的影響，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，在計算節(jié)能效果時，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)速器使用說明書都指出，變頻調(diào)速器輸出側(cè)不能加裝接觸器。如**安川變頻器說明書就規(guī)定“切勿在輸出回路連接電磁開關(guān)、電磁接觸器”。
廠家的規(guī)定是為了防止在變頻調(diào)速器有輸出時接觸器動作。變頻器在運行中連接負(fù)載，會由于漏電流而使過電流保護回路動作。那么，只要在變頻調(diào)速器輸出與接觸器動作之間，加以必要的控制聯(lián)鎖，保證只有在變頻調(diào)速器無輸出時，接觸器才能動作，變頻調(diào)速器輸出側(cè)就可以加裝接觸器。這種方案對于只有1臺變頻調(diào)速器，2臺電動機（1臺電動機運行，1臺電動機備用）的場合，具有重要的意義。當(dāng)運行的電動機出現(xiàn)故障時，可以很方便地將變頻器切換到備用電動機，經(jīng)過延時使變頻器運行，實現(xiàn)備用電動機自動投入變頻運行。并且還可以很方便地實現(xiàn)2臺電動機的互為備用。
誤區(qū)5、 通用電動機只能在其額定轉(zhuǎn)速以下采用變頻調(diào)速器降速運行
經(jīng)典理論認(rèn)為，通用電動機頻率上限為55Hz。這是因為當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速需要調(diào)到額定轉(zhuǎn)速以上運行時，定子頻率將增加到高于額定頻率（50Hz）。這時，若仍按恒轉(zhuǎn)矩原則控制，則定子電壓將升高超過額定電壓。那么，當(dāng)調(diào)速范圍高于額定轉(zhuǎn)速時,須保持定子電壓為額定電壓不變。這時，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，機械特性變軟，電動機的過載能力大幅度減少。
由此可見，通用電動機頻率上限為55Hz是有前提條件的：
1、定子電壓不能超過額定電壓；
2、電動機在額定功率運行；
3、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
上述情況下，理論和試驗證明，若頻率超過55Hz，將使電動機轉(zhuǎn)矩變小，機械特性變軟，過載能力下降，鐵耗急增，發(fā)熱嚴(yán)重。
筆者認(rèn)為，電動機實際運行狀況表明，通用電動機可以通過變頻調(diào)速器進(jìn)行提速運行。能否變頻提速?能提多少?主要是由電動機拖動的負(fù)載來決定的。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。簡單分析如下：
1、事實上，對于380V通用電動機，定子電壓超過額定電壓10%*運行是可以的，對電動機絕緣及壽命沒有影響。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、電動機負(fù)荷率通常為50%～60%
一般情況下，工業(yè)用電動機通常在50%～60%額定功率下工作。經(jīng)推算，電動機輸出功率為70%額定功率，定子電壓提高7%時，定子電流下降26.4%，此時，即使是恒轉(zhuǎn)矩控制，采用變頻調(diào)速器提高電動機轉(zhuǎn)速20%，定子電流也不但不會上升，反而會下降。盡管提高頻率后，電動機鐵耗急增，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，電動機繞組溫度也將明顯下降。
3、負(fù)載特性各種各樣
電動機拖動系統(tǒng)是為負(fù)載服務(wù)的，不同的負(fù)載，機械特性不同。電動機在提速后必須滿足負(fù)載機械特性的要求。經(jīng)推算恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不同負(fù)荷率（k）時的允許zui高運行頻率（fmax）與負(fù)荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe為額定工頻。對恒功率負(fù)載，通用電動機的允許zui高工作頻率主要受電動機轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的機械強度限制，筆者認(rèn)為一般限制在100Hz以內(nèi)為宜。
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