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更新時間:2020-04-22
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由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,伴隨著新的控制理論的提出與完善,使交流調(diào)速傳動,尤其是性能優(yōu)異的變頻調(diào)速傳動得到飛速的發(fā)展。近年來,變頻器的售價不斷下降,而其使用功能卻不斷提升和擴(kuò)大,它現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從一些數(shù)百瓦級的家用器械直到一些數(shù)千千瓦級的大型工業(yè)傳動裝置的驅(qū)動。交流變頻調(diào)速已從初的只能用于風(fēng)機、水泵的調(diào)速過渡到應(yīng)用于各類要求高精度、快響應(yīng)的高性能調(diào)速指標(biāo)的工業(yè)現(xiàn)場。變頻器的大量推廣使用,在節(jié)能、省力化、自動化及提高生產(chǎn)率、提高質(zhì)量、減少維修和提高舒適性等多方面都取得了令世人矚目的應(yīng)用效果。但是,變頻器畢竟是近二十年來新出現(xiàn)的一種蘊涵多種技術(shù)的電力電子產(chǎn)品,要想讓它發(fā)揮很好的應(yīng)用效果,就必須對它的選型和配置做深入的研究。
2.變頻器的選型
變頻器的正確選用對于機械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運行是至關(guān)重要的。選擇變頻器,首先要按照機械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求,然后決定選用何種控制方式和防護(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器合適。所謂合適是在滿足機械設(shè)備的實際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下,實現(xiàn)變頻器應(yīng)用的性價比。
2.1機械設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性
人們在實踐中常將生產(chǎn)機械根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的不同,分為三大類型:恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和流體類負(fù)載。
2.1.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
在這類負(fù)載中,負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān),任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定,負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設(shè)備的進(jìn)給機構(gòu)等摩擦類負(fù)載以及起重機、提升機、電梯等重力負(fù)載,都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時,低速時的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大,并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時穩(wěn)速運行,應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動機的散熱能力,避免電動機溫升過高。
2.1.2恒功率負(fù)載
這類負(fù)載的特點是需求轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n大體成反比,但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等,都屬于恒功率負(fù)載。
負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時,受機械強度的限制,TL不可能無限增大,在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調(diào)速時,允許輸出轉(zhuǎn)矩不變,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;而在弱磁調(diào)速時,允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比,屬于恒功率調(diào)速。如果電動機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相*時,即所謂“匹配”的情況下,電動機的容量和變頻器的容量均小。
2.1.3流體類負(fù)載
這類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比,功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。各種風(fēng)機、水泵和油泵,都屬于典型的流體類負(fù)載。
流體類負(fù)載通過變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量,可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類負(fù)載在高速時的需求功率增長過快,與負(fù)載轉(zhuǎn)速的三次方成正比,所以不應(yīng)使這類負(fù)載超工頻運行。
2.2根據(jù)負(fù)載特性選取適當(dāng)控制方式的變頻器
現(xiàn)在市場上出售的變頻器種類繁多,功能也日益強大,變頻器的性能也越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素,除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外,對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。下表綜述了近年來各種變頻器控制方式的性能特點。
綜上所述,異步電動機變頻控制選用不同的控制方法,就可以得到不同性能特點的調(diào)速特性。
2.3根據(jù)安裝環(huán)境選取變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)
變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)要與其安裝環(huán)境相適應(yīng),這就要考慮環(huán)境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素,這與變頻器能否長期、安全、可靠運行關(guān)系重大。大多數(shù)變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護(hù)結(jié)構(gòu)供用戶選用:
(1)開放型IP00,它從正面保護(hù)人體不能觸摸到變頻器內(nèi)部的帶電部分,適用于安裝在電控柜內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上,尤其是多臺變頻器集中使用較好,但它對安裝環(huán)境要求較高。
(2)封閉型IP20、IP21,這種防護(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器四周都有外罩,可在建筑物內(nèi)的墻上壁掛式安裝,它適用于大多數(shù)的室內(nèi)安裝環(huán)境。
(3)密封型IP40、IP42,它適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件較差的場合。
(4)密閉型IP54、IP55,它具有防塵、防水的防護(hù)結(jié)構(gòu),適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件差,有水淋、粉塵及一定腐蝕性氣體的場合。
關(guān)于變頻器容量的計算,可參閱參考文獻(xiàn)1,限于篇幅,此不贅述。
3.變頻器的外圍配置要點
3.1把變頻器連接在大容量電源變壓器(500KVA以上)電網(wǎng)中,或者在同一電源變壓器上連接有晶閘管變流器而未使用換流電抗器,或者同一電網(wǎng)上有功率改善用切換電容器組時,應(yīng)配置AC電抗器或DC電抗器,它們也有改善變頻器電源側(cè)功率因數(shù)和降低輸入高次諧波電流的效果。
3.2變頻器與供電電源之間應(yīng)裝設(shè)帶有短路及過載保護(hù)的低壓斷路器、交流接觸器,以免變頻器發(fā)生故障時事故擴(kuò)大。電控系統(tǒng)的急??刂茟?yīng)使變頻器電源側(cè)的交流接觸器開斷,*切斷變頻器的電源供給,保證設(shè)備及人身安全。
3.3變頻器輸入端R、S、T與輸出端U、V、W不能接錯。變頻器的輸入端R、S、T是與三相整流橋輸入端相連接,而輸出端U、V、W是與三相異步電動機相連接的晶體管逆變電路。若兩者接錯,輕則不能實現(xiàn)變頻調(diào)速,電機也不會運轉(zhuǎn),重則燒毀變頻器。
3.4在起動、停止頻繁的場合,不要用主電路電源的通、斷來控制變頻器的起動、停止,應(yīng)使用變頻器控制面板上的RUN/STOP鍵或SF/SR控制端子。因為變頻器啟動時,首先要給直流回路的大容量電解電容充電,如果頻繁啟動變頻器勢必造成電容充電用限流電阻發(fā)熱嚴(yán)重,同時也縮短了大容量電解電容的使用壽命。
3.5變頻器的端子“N”為中間直流回路的低電平端,嚴(yán)禁與三相四線制供電線路中的零線或大地相接,否則會造成三相整流橋因電源短路而損壞變頻器。
3.6變頻器的輸出側(cè)一般不能安裝電磁接觸器,若必須安裝,則一定要注意滿足以下條件:變頻器若正在運行中,嚴(yán)禁切換輸出側(cè)的電磁接觸器;要切換接觸器必須等到變頻器停止輸出后才可以。因為,如果在變頻器正常輸出時切換輸出側(cè)的接觸器,將會在接觸器觸點斷開的瞬間產(chǎn)生很高的過電壓而極易損壞變頻器中的電力電子器件。因此,要切換變頻器輸出側(cè)的接觸器,一定要等到所控制的電動機*停止以后。
3.7遇有內(nèi)裝制動單元而需外加制動電阻的變頻器,一定要注意制動電阻的正確接線。制動電阻要接在P與DB之間,不能接在P、N之間,否則會造成變頻器的逆變器在未運行時三相整流橋就滿載工作,造成變頻器無法正常工作,制動電阻也有燒毀的可能。
3.8變頻調(diào)速的多速電動機,在運行中不能改變極對數(shù)。如果在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,為了擴(kuò)大調(diào)速范圍而必須選用多速電動機時,由于多速電動機是用改變定子繞組接線方法,改變極對數(shù),實現(xiàn)調(diào)速目的。如果在變頻器運行中改變電動機的繞組接線,就會引起很大的沖擊電流,造成變頻器過載跳閘,甚至燒毀的嚴(yán)重事故。所以,要安全切換多速電動機的繞組,必須要等到變頻器停止輸出后才能進(jìn)行。
3.9機械制動器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的正確使用。在脈寬調(diào)制(PWM)的變頻器中,其輸出頻率與輸出電壓之比為一常數(shù),即f/V=C。在輸出頻率低時,其輸出電壓也低,如果機械制動器的電磁抱閘線圈接在U、V、W端,則在變頻器低速時機械抱閘始終處于抱緊狀態(tài),變頻器會因過載而跳閘,所以機械制動器的電磁線圈只能接在變頻器的輸入端R、S、T端。
3.10變頻器低速運行時的特點及對策。常規(guī)設(shè)計的自通風(fēng)異步電動機在額定工況下及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi),是不會超過額定溫升的,但處于變頻調(diào)速系統(tǒng)中,情況就有所不同。自通風(fēng)異步電動機在20HZ以下運行時,轉(zhuǎn)子風(fēng)葉的冷卻能力下降,再如果在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下長期運行,勢必造成電機溫升增加,使調(diào)速系統(tǒng)的特性變壞。所以,當(dāng)自通風(fēng)異步電動機在低頻運行并且拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時,必須采取強制冷卻措施,改善電機的散熱能力,保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3.11當(dāng)變頻器和電動機之間的接線超長時,隨著變頻器輸出電纜的長度增加,其分布電容明顯增大,從而造成變頻器逆變輸出的容性尖峰電流過大引起變頻器跳閘保護(hù),因此必須使用輸出電抗器或du/dt濾波器或正弦波濾波器等裝置對這種容性尖峰電流進(jìn)行限制。
輸出濾波電抗器用于補償在電機電纜長距離敷設(shè)時引起的線路電容充電電流,也可抑制諧波。在多電機成組傳動時,可接入一臺輸出濾波電抗器,總電纜長度是每臺電機電纜長度的總和。從理論上說,功率等級不同的變頻器所允許敷設(shè)的電機電纜長度是不同的,并且不同生產(chǎn)廠商的變頻器所允許敷設(shè)的電機電纜長度也是不同的。因此,關(guān)于變頻器敷設(shè)的電機電纜在超過多長距離時應(yīng)加裝輸出濾波電抗器,還應(yīng)參閱各變頻器生產(chǎn)廠商提供的使用手冊。
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