水泥廠變頻器應用中的問題及對策
摘要：具有優良的控制性能，而且在許多生產場合具有顯著的節能效果。
隨著計算機技術和電力電子技術的發展，通用變頻器的應用也得到了迅猛發展。由于交流電動機結構簡單，堅固耐用、無需換向裝置，可適用于各種工作環境，所以以通用變頻器為核心的交流調速系統得到了廣泛應用。采用變頻器調速可以提高機械的控制精度、生產效率和產品質量，有利于實現生產過程的自動化，使交流拖動系統具有優良的控制性能，而且在許多生產場合具有顯著的節能效果。
1 變頻器的節能原理
當今電動機消耗的電能約占工業電耗的65%，風機、泵類設備年耗電量占全國電力消耗的30%。造成這種狀況的主要原因是:風機、泵類等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當風機轉速從n變到n′，風量Q、風壓H及軸功率P的變化關系：Q′=Q（n′/n）；H′=H（n′/n）2；P′=P（n′/n）3。風量與轉速成正比，風壓H與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速三次方成正比。所以，當所要求的風量Q減少時，可調節變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，比調節擋板、閥門節能40%~50%，從而達到節電的目的。
2 運行中的問題及對策
目前，通用變頻器以其智能化、數字化、網絡化等優點越來越受到用戶的青睞。隨著通用變頻器應用范圍的擴大，運行中出現的問題越來越多，主要有以下幾方面：諧波、振動與噪聲、負載匹配、發熱等問題。
2.1 諧波及其抑制對策
通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成：整流部分、逆變部分、濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形。輸出電壓中含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電動機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制，可以采用以下方法抑制諧波。
2.1.1 增加變頻器供電電源內阻抗
通常電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用，內阻抗越大，諧波含量越小，這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此選擇變頻器供電電源時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。
2.1.2 安裝電抗器
在變頻器的輸入端和輸出端串接合適的電抗器（A?鄄CL），使整流阻抗增大，可以抑制高次諧波電流。
2.1.3 采用變壓器多相運行
通用變頻器為六脈沖波整流器，因此產生的諧波較大。如果利用變壓器二次繞組接法的不同，使兩組三相交流電源間相位錯開30°。整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法，整流電路的脈波數由6脈波提高到12脈波，可減小低次諧波電流，更好地抑制低次諧波。
2.2 噪聲與振動及其對策
用變頻器進行電動機調速運轉時，將產生噪聲和振動，這是變頻器輸出波形中含有高次諧波分量所產生的影響。隨著運轉頻率的變化，基波分量、諧波分量也在很大范圍內變化，因此電動機各部分的諧波增加。
2.2.1 噪聲問題及對策
電動機的噪聲大體有通風噪聲、電磁噪聲和機械噪聲三種。
變頻器傳動時，由于輸出電壓、電流中含有諧波分量，氣隙的諧波磁通增加，所以噪聲變大。其特征如下：由于變頻器輸出較低的諧波頻率與轉子固有頻率的共振，導致在轉子固有頻率附近的噪聲增大；由于變頻器輸出的諧波分量使鐵心、機殼、軸架等諧波，導致在其固有頻率附近的噪聲增大。
為了抑制變頻器傳動引起的噪聲，特別是刺耳的噪聲與PWM控制的開關頻率有關，尤其在低頻區更為顯著。一般采用以下措施平抑和減少噪聲：在變頻器輸出側連接交流電抗器。如果轉矩有余量，將U/f值定小些,并可采用特殊電動機（對噪聲采取了措施）等。
2.2.2 振動問題及對策
電動機振動的原因可分為電磁與機械兩種。
電磁原因引起的振動表現為：由于較低次的諧波分量與轉子的諧振，其固有頻率附近的振動分量增加;由于諧波產生的脈動轉矩的影響發生振動。特別是當脈動轉矩的頻率同電動機轉子與負載構成的軸系扭轉固有頻率一致時將發生諧振。
機械原因引起的振動表現為：電動機軸上有外伸重量等，軸系統的固有頻率降低時，如果電動機高速運轉，全旋轉頻率與軸系統固有頻率接近，則振動加劇。轉子殘余不平衡引起離心力與轉速的二次方成比例增加，所以用變頻器進行高速運轉時，振動加大。
為減少諧波產生的電磁力，可以在變頻器的輸出側連接交流電抗器，以吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。使用PAM方式或方波PWM方式變頻器時，可改用正弦波PWM或矢量控制方式變頻器，以減小脈動轉矩。
隨著計算機技術和電力電子技術的發展，通用變頻器的應用也得到了迅猛發展。由于交流電動機結構簡單，堅固耐用、無需換向裝置，可適用于各種工作環境，所以以通用變頻器為核心的交流調速系統得到了廣泛應用。采用變頻器調速可以提高機械的控制精度、生產效率和產品質量，有利于實現生產過程的自動化，使交流拖動系統具有優良的控制性能，而且在許多生產場合具有顯著的節能效果。
1 變頻器的節能原理
當今電動機消耗的電能約占工業電耗的65%，風機、泵類設備年耗電量占全國電力消耗的30%。造成這種狀況的主要原因是:風機、泵類等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當風機轉速從n變到n′，風量Q、風壓H及軸功率P的變化關系：Q′=Q（n′/n）；H′=H（n′/n）2；P′=P（n′/n）3。風量與轉速成正比，風壓H與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速三次方成正比。所以，當所要求的風量Q減少時，可調節變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，比調節擋板、閥門節能40%~50%，從而達到節電的目的。
2 運行中的問題及對策
目前，通用變頻器以其智能化、數字化、網絡化等優點越來越受到用戶的青睞。隨著通用變頻器應用范圍的擴大，運行中出現的問題越來越多，主要有以下幾方面：諧波、振動與噪聲、負載匹配、發熱等問題。
2.1 諧波及其抑制對策
通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成：整流部分、逆變部分、濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形。輸出電壓中含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電動機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制，可以采用以下方法抑制諧波。
2.1.1 增加變頻器供電電源內阻抗
通常電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用，內阻抗越大，諧波含量越小，這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此選擇變頻器供電電源時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。
2.1.2 安裝電抗器
在變頻器的輸入端和輸出端串接合適的電抗器（A?鄄CL），使整流阻抗增大，可以抑制高次諧波電流。
2.1.3 采用變壓器多相運行
通用變頻器為六脈沖波整流器，因此產生的諧波較大。如果利用變壓器二次繞組接法的不同，使兩組三相交流電源間相位錯開30°。整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法，整流電路的脈波數由6脈波提高到12脈波，可減小低次諧波電流，更好地抑制低次諧波。
2.2 噪聲與振動及其對策
用變頻器進行電動機調速運轉時，將產生噪聲和振動，這是變頻器輸出波形中含有高次諧波分量所產生的影響。隨著運轉頻率的變化，基波分量、諧波分量也在很大范圍內變化，因此電動機各部分的諧波增加。
2.2.1 噪聲問題及對策
電動機的噪聲大體有通風噪聲、電磁噪聲和機械噪聲三種。
變頻器傳動時，由于輸出電壓、電流中含有諧波分量，氣隙的諧波磁通增加，所以噪聲變大。其特征如下：由于變頻器輸出較低的諧波頻率與轉子固有頻率的共振，導致在轉子固有頻率附近的噪聲增大；由于變頻器輸出的諧波分量使鐵心、機殼、軸架等諧波，導致在其固有頻率附近的噪聲增大。
為了抑制變頻器傳動引起的噪聲，特別是刺耳的噪聲與PWM控制的開關頻率有關，尤其在低頻區更為顯著。一般采用以下措施平抑和減少噪聲：在變頻器輸出側連接交流電抗器。如果轉矩有余量，將U/f值定小些,并可采用特殊電動機（對噪聲采取了措施）等。
2.2.2 振動問題及對策
電動機振動的原因可分為電磁與機械兩種。
電磁原因引起的振動表現為：由于較低次的諧波分量與轉子的諧振，其固有頻率附近的振動分量增加;由于諧波產生的脈動轉矩的影響發生振動。特別是當脈動轉矩的頻率同電動機轉子與負載構成的軸系扭轉固有頻率一致時將發生諧振。
機械原因引起的振動表現為：電動機軸上有外伸重量等，軸系統的固有頻率降低時，如果電動機高速運轉，全旋轉頻率與軸系統固有頻率接近，則振動加劇。轉子殘余不平衡引起離心力與轉速的二次方成比例增加，所以用變頻器進行高速運轉時，振動加大。
為減少諧波產生的電磁力，可以在變頻器的輸出側連接交流電抗器，以吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。使用PAM方式或方波PWM方式變頻器時，可改用正弦波PWM或矢量控制方式變頻器，以減小脈動轉矩。
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