變頻器的7大應用誤區

　　誤區1、使用變頻器都能節電

　　一些文獻宣稱(chēng)變頻調速器是節電控制產(chǎn)品，給人的感覺(jué)是只要使用變頻調速器都能節電，實(shí)際上，變頻調速器之所以能夠節電，是因為其能對電動(dòng)機進(jìn)行調速。如果說(shuō)變頻調速器是節電控制產(chǎn)品的話(huà)，那么所有的調速設備也都可以說(shuō)是節電控制產(chǎn)品。變頻調速器只不過(guò)比其它調速設備效率和功率因數略高罷了。

　　變頻調速器能否實(shí)現節電，是由其負載的調速特性決定的。對于離心風(fēng)機、離心水泵這類(lèi)負載，轉矩與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比。只要原來(lái)采用閥門(mén)控制流量，且不是滿(mǎn)負荷工作，改為調速運行，均能實(shí)現節電。當轉速下降為原來(lái)的80%時(shí)，功率只有原來(lái)的51.2%�？梢�(jiàn)，變頻調速器在這類(lèi)負載中的應用，節電效果最為明顯。對于羅茨風(fēng)機這類(lèi)負載，轉矩與轉速的大小無(wú)關(guān)，即恒轉矩負載。若原來(lái)采用放風(fēng)閥放走多余風(fēng)量的方法調節風(fēng)量，改為調速運行，也能實(shí)現節電。當轉速下降為原來(lái)的80%時(shí)，功率為原來(lái)的 80%。比在離心風(fēng)機、離心水泵中的應用節電效果要小得多。對于恒功率負載，功率與轉速的大小無(wú)關(guān)。水泥廠(chǎng)恒功率負載，如配料皮帶秤，在設定流量一定的條件下，當料層厚時(shí)，皮帶速度減慢;當料層薄時(shí)，皮帶速度加快。變頻調速器在這類(lèi)負載中的應用，不能節電。

　　與直流調速系統比較，直流電動(dòng)機比交流電動(dòng)機效率高、功率因數高，數字直流調速器與變頻調速器效率不相上下，甚至數字直流調速器比變頻調速器效率略高。所以，宣稱(chēng)使用交流異步電動(dòng)機和變頻調速器比使用直流電動(dòng)機和直流調速器要節電，理論和實(shí)踐證明，這是不正確的。

　　誤區2、變頻器的容量選擇以電動(dòng)機額定功率為依據

　　相對于電動(dòng)機來(lái)說(shuō)，變頻調速器的價(jià)格較貴，因此在保證安全可靠運行的前提下，合理地降低變頻調速器的容量就顯得十分有意義。

　　變頻調速器的功率指的是它適用的4極交流異步電動(dòng)機的功率。

　　由于同容量電動(dòng)機，其極數不同，電動(dòng)機額定電流不同。隨著(zhù)電動(dòng)機極數的增多，電動(dòng)機額定電流增大。變頻調速器的容量選擇不能以電動(dòng)機額定功率為依據。同時(shí)，對于原來(lái)未采用變頻器的改造項目，變頻調速器的容量選擇也不能以電動(dòng)機額定電流為依據。這是因為，電動(dòng)機的容量選擇要考慮最大負荷、富裕系數、電動(dòng)機規格等因素，往往富裕量較大，工業(yè)用電動(dòng)機常常在50%～60%額定負荷下運行。若以電動(dòng)機額定電流為依據來(lái)選擇變頻調速器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟上的浪費，而可靠性并沒(méi)有因此得到提高。

　　對于鼠籠式電動(dòng)機，變頻調速器的容量選擇應以變頻器的額定電流大于或等于電動(dòng)機的最大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以最大限度地節約資金。對于重載起動(dòng)、高溫環(huán)境、繞線(xiàn)式電動(dòng)機、同步電動(dòng)機等條件下，變頻調速器的容量應適當加大。

　　對于一開(kāi)始就采用變頻器的設計中，變頻器容量的選擇以電動(dòng)機額定電流為依據無(wú)可厚非。這是因為此時(shí)變頻器容量不能以實(shí)際運行情況來(lái)選擇。當然，為了減少投資，在有些場(chǎng)合，也可先不確定變頻器的容量，等設備實(shí)際運轉一段時(shí)間后，再根據實(shí)際電流進(jìn)行選擇。

　　誤區3、用視在功率計算無(wú)功補償節能收益

　　用視在功率計算無(wú)功補償節能效果。如文獻[1]原系統風(fēng)機工頻滿(mǎn)載工作時(shí)，電動(dòng)機運行電流為289A，采用變頻調速時(shí)，50Hz滿(mǎn)載運行時(shí)的功率因數約為0.99，電流是257A，這是由于變頻器內部濾波電容產(chǎn)生改善功率因數的作用。節能計算如下：ΔS=UI=×380×(289-257)=21kVA

　　因此該文認為其節能效果約為單機容量的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)，視在功率節約百分比與電流節約百分比是一回事。在有電抗的電路中，視在功率只是反映了配電系統的允許最大輸出能力，而不能反映電動(dòng)機實(shí)際消耗的功率。電動(dòng)機實(shí)際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中，雖用實(shí)際電流計算，但計算的是視在功率，而不是有功功率。我們知道，電動(dòng)機實(shí)際消耗的功率是由風(fēng)機及其負載決定的。功率因數的提高并沒(méi)有改變風(fēng)機的負載，也沒(méi)有提高風(fēng)機的效率，風(fēng)機實(shí)際消耗的功率沒(méi)有減少。功率因數提高后，電動(dòng)機運行狀態(tài)也沒(méi)有改變，電動(dòng)機定子電流并沒(méi)有減少，電動(dòng)機消耗的有功功率和無(wú)功功率都沒(méi)有改變。功率因數提高的原因是變頻器內部濾波電容產(chǎn)生無(wú)功功率供給了電動(dòng)機消耗。隨著(zhù)功率因數提高，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(xiàn)損和變壓器的銅耗。同時(shí)，負荷電流減小，給變頻器供電的變壓器、開(kāi)關(guān)、接觸器、導線(xiàn)等配電設備可以帶更多的負載。需要指出的是，如果象該例一樣不考慮線(xiàn)損和變壓器銅耗的節約，而考慮變頻器的損耗，變頻器在50Hz滿(mǎn)載運行時(shí)，不僅沒(méi)有節能，而且還費電。因此，用視在功率計算節能效果是不對的。

　　誤區4、變頻器輸出側不能加裝接觸器

　　幾乎所有變頻調速器使用說(shuō)明書(shū)都指出，變頻調速器輸出側不能加裝接觸器。如日本安川變頻器說(shuō)明書(shū)就規定“切勿在輸出回路連接電磁開(kāi)關(guān)、電磁接觸器”。

　　廠(chǎng)家的規定是為了防止在變頻調速器有輸出時(shí)接觸器動(dòng)作。變頻器在運行中連接負載，會(huì )由于漏電流而使過(guò)電流保護回路動(dòng)作。那么，只要在變頻調速器輸出與接觸器動(dòng)作之間，加以必要的控制聯(lián)鎖，保證只有在變頻調速器無(wú)輸出時(shí)，接觸器才能動(dòng)作，變頻調速器輸出側就可以加裝接觸器。這種方案對于只有1臺變頻調速器，2臺電動(dòng)機(1臺電動(dòng)機運行，1臺電動(dòng)機備用)的場(chǎng)合，具有重要的意義。當運行的電動(dòng)機出現故障時(shí)，可以很方便地將變頻器切換到備用電動(dòng)機，經(jīng)過(guò)延時(shí)使變頻器運行，實(shí)現備用電動(dòng)機自動(dòng)投入變頻運行。并且還可以很方便地實(shí)現2臺電動(dòng)機的互為備用。

　　誤區5、變頻調速器在離心風(fēng)機中的應用，可完全取代風(fēng)機的調節閥門(mén)

　　采用變頻調速器對離心風(fēng)機進(jìn)行調速來(lái)控制風(fēng)量，與調節閥門(mén)控制風(fēng)量相比,具有明顯的節電效果。但在有些場(chǎng)合，變頻調速器不能完全取代風(fēng)機的閥門(mén)，在設計中要引起特別注意。為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們先從其節電原理談起。離心風(fēng)機的風(fēng)量與轉速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。

　　如圖1所示，曲線(xiàn)(1)為風(fēng)機在恒速下，風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性;曲線(xiàn)(2)為管網(wǎng)風(fēng)阻特性(閥門(mén)開(kāi)度全開(kāi))。風(fēng)機工作在A(yíng)點(diǎn)時(shí)輸出風(fēng)量為Q1，此時(shí)軸功率N1與Q1、H1的乘積面積(AH1OQ1)成正比。當風(fēng)量從Q1減少到Q2，如采用調節閥門(mén)方法，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線(xiàn) (3)。系統由原來(lái)的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運行，風(fēng)壓反而增加，軸功率N2與面積(BH2OQ2)成正比，N1與N2相差不多。如果采用調速控制方式，風(fēng)機轉速由n1降到n2,則風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性如曲線(xiàn)(4)所示，在滿(mǎn)足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3(相當于面積 CH3OQ2)隨著(zhù)顯著(zhù)減少，節能效果十分顯著(zhù)。

　　從上面的分析還可以看出，調節閥門(mén)控制風(fēng)量，隨著(zhù)風(fēng)量的減少，風(fēng)壓反而增加;而采用變頻調速器調速來(lái)控制風(fēng)量，隨著(zhù)風(fēng)量的減少，風(fēng)壓大幅度下降。風(fēng)壓下降太多，有可能滿(mǎn)足不了工藝要求。即如果工況點(diǎn)在曲線(xiàn)(1)、曲線(xiàn)(2)、H軸所圍區域內部，單純地依靠變頻調速器調速將無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求，需要和閥門(mén)調節結合才能滿(mǎn)足工藝要求。某廠(chǎng)引進(jìn)的變頻調速器，在離心風(fēng)機中的應用中，因沒(méi)有設計閥門(mén)，單純地依靠變頻調速器調速來(lái)改變風(fēng)機工況點(diǎn)，吃盡了苦頭。要么轉速太高，風(fēng)量太大;若降低轉速，風(fēng)壓又滿(mǎn)足不了工藝要求，吹不進(jìn)風(fēng)。因此離心風(fēng)機在使用變頻調速器調速節電時(shí)，要兼顧風(fēng)量和風(fēng)壓這2個(gè)指標，否則會(huì )帶來(lái)不良的后果。

　　誤區6、通用電動(dòng)機只能在其額定轉速以下采用變頻調速器降速運行

　　經(jīng)典理論認為，通用電動(dòng)機頻率上限為55Hz。這是因為當電動(dòng)機轉速需要調到額定轉速以上運行時(shí)，定子頻率將增加到高于額定頻率(50Hz)。這時(shí)，若仍按恒轉矩原則控制，則定子電壓將升高超過(guò)額定電壓。那么，當調速范圍高于額定轉速時(shí),須保持定子電壓為額定電壓不變。這時(shí)，隨著(zhù)轉速/頻率的上升，磁通將減少，因此在同一定子電流下的轉矩將減小，機械特性變軟，電動(dòng)機的過(guò)載能力大幅度減少。

　　由此可見(jiàn)，通用電動(dòng)機頻率上限為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)機在額定功率運行;

　　3、恒轉矩負載。

　　上述情況下，理論和試驗證明，若頻率超過(guò)55Hz，將使電動(dòng)機轉矩變小，機械特性變軟，過(guò)載能力下降，鐵耗急增，發(fā)熱嚴重。

　　筆者認為，電動(dòng)機實(shí)際運行狀況表明，通用電動(dòng)機可以通過(guò)變頻調速器進(jìn)行提速運行。能否變頻提速?能提多少?主要是由電動(dòng)機拖動(dòng)的負載來(lái)決定的。首先，要弄清負荷率是多少?其次，要搞清楚負載特性，根據負載的具體情況，進(jìn)行推算。簡(jiǎn)單分析如下：

　　1、事實(shí)上，對于380V通用電動(dòng)機，定子電壓超過(guò)額定電壓10%長(cháng)期運行是可以的，對電動(dòng)機絕緣及壽命沒(méi)有影響。定子電壓提高，轉矩顯著(zhù)增大，定子電流減少，繞組溫度下降。

　　2、電動(dòng)機負荷率通常為50%～60%

　　一般情況下，工業(yè)用電動(dòng)機通常在50%～60%額定功率下工作。經(jīng)推算，電動(dòng)機輸出功率為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)，即使是恒轉矩控制，采用變頻調速器提高電動(dòng)機轉速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)機繞組溫度也將明顯下降。

　　3、負載特性各種各樣

　　電動(dòng)機拖動(dòng)系統是為負載服務(wù)的，不同的負載，機械特性不同。電動(dòng)機在提速后必須滿(mǎn)足負載機械特性的要求。經(jīng)推算恒轉矩負載不同負荷率(k)時(shí)的允許最高運行頻率 (fmax)與負荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe為額定工頻。對恒功率負載，通用電動(dòng)機的允許最高工作頻率主要受電動(dòng)機轉子和轉軸的機械強度限制，筆者認為一般限制在100Hz以?xún)葹橐恕?

　　誤區7、忽視變頻器的自身特點(diǎn)

　　變頻調速器的調試工作一般由經(jīng)銷(xiāo)廠(chǎng)家來(lái)完成，不會(huì )出現什么問(wèn)題。變頻調速器的安裝工作較簡(jiǎn)單，一般由用戶(hù)來(lái)完成。一些用戶(hù)不認真閱讀變頻調速器的使用說(shuō)明書(shū)，不嚴格按照技術(shù)要求進(jìn)行施工，忽視變頻器自身特點(diǎn),將其等同于一般電氣器件,憑想當然和經(jīng)驗辦事，為故障和事故埋下了隱患。

　　根據變頻調速器的使用說(shuō)明書(shū)的要求，接到電動(dòng)機的電纜應采用屏蔽電纜或鎧裝電纜，最好穿金屬管敷設。截斷電纜的端頭應盡可能整齊，未屏蔽的線(xiàn)段盡可能短，電纜長(cháng)度不宜超過(guò)一定的距離(一般為50m)。當變頻調速器與電動(dòng)機間的接線(xiàn)距離較長(cháng)時(shí)，來(lái)自電纜的高諧波漏電流會(huì )對變頻調速器和周邊設備產(chǎn)生不利影響。從變頻器控制的電動(dòng)機返回的接地線(xiàn)，應直接連到變頻器相應的接地端子上。變頻器的接地線(xiàn)切勿與焊機及動(dòng)力設備共用，且盡可能短。由于變頻器產(chǎn)生漏電流，與接地點(diǎn)太遠則接地端子的電位不穩定。變頻器的接地線(xiàn)的最小截面積必須大于或等于供電電源電纜的截面積。為了防止干擾而引起的誤動(dòng)作，控制電纜應使用絞合屏蔽線(xiàn)或雙股屏蔽線(xiàn)。同時(shí)要注意切勿將屏蔽網(wǎng)線(xiàn)接觸到其它信號線(xiàn)及設備外殼，用絕緣膠帶纏包起來(lái)。為了避免其受到噪聲的影響，控制電纜長(cháng)度不宜超過(guò)50m�？刂齐娎|和電動(dòng)機電纜必須分開(kāi)敷設，使用單獨的走線(xiàn)槽，并盡可能遠離。當二者必須交叉時(shí)，應采取垂直交叉。千萬(wàn)不能將它們放在同一個(gè)管道或電纜槽中。而一些用戶(hù)在進(jìn)行電纜敷設時(shí)，沒(méi)有嚴格按照上述要求進(jìn)行施工，導致在單獨調試時(shí)設備運轉正常，正常生產(chǎn)時(shí)卻干擾嚴重，以致不能運行。

　　在變頻調速器的日常維護中也要特別小心。有的電工一發(fā)現變頻器故障跳停，就立即打開(kāi)變頻器進(jìn)行維修。這樣做是很危險的，有可能發(fā)生人身觸電事故。這是因為即使變頻器不處于運行狀態(tài)，甚至電源已經(jīng)切斷，由于其中的電容器的存在，變頻器的電源輸入線(xiàn)、直流端子和電動(dòng)機端子上仍然可能帶有電壓。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)后，必須等待幾分鐘后，使變頻器放電完畢，才能開(kāi)始工作。還有的電工習慣于一發(fā)現變頻調速系統跳停，就立即用搖表對變頻器拖動(dòng)的電動(dòng)機進(jìn)行絕緣測試，從而判斷電動(dòng)機是否燒毀。這也是很危險的，易使變頻器被燒。因此，在電動(dòng)機與變頻器之間的電纜未斷開(kāi)前，絕對不能對電動(dòng)機進(jìn)行絕緣測試，也不能對已連接到變頻器的電纜進(jìn)行絕緣測試。

　　對變頻器的輸出參數進(jìn)行測量時(shí)也要特別注意。由于變頻器的輸出為PWM波形，含有高次諧波，而電動(dòng)機轉矩主要依賴(lài)于基波電壓有效值，故測量輸出電壓時(shí)，主要是測量基波電壓值，使用整流式電壓表，其測量結果最接近數字頻譜分析儀測量值，而且與變頻器的輸出頻率有極好的線(xiàn)性關(guān)系。若需進(jìn)一步提高測量精度，可以采用阻容濾波器。數字萬(wàn)用表容易受干擾，測量有較大的誤差。輸出電流需要測量包括基波和其他高次諧波在內的總有效值，因此常用的儀表是動(dòng)圈式電流表(在電動(dòng)機負載時(shí)，基波電流有效值和總電流有效值差別不大)。當考慮到測量方便而采用電流互感器時(shí)，在低頻情況下電流互感器可能飽和，所以，必須選擇適當容量的電流互感器。