变频技术在设备改造中的应用

变频技术在设备改造中的应用_提升创新能力加

变频技术在设备改造中的应用

陈宇宁

（成都电冶厂）

一、概述

成都电冶厂海绵铜处理工序中采用SGZ1000-N型三足式全自动下部卸料离心机，进行海绵铜固液分离，该设备由主机、辅机及转鼓等组成。传动系统情况如图1所示。

图1　传动系统情况

由于该离心机是通用设备，它的主机是Y160L-4型交流电动机，其转速保持在1460r/min，因此不可避免地带来下述问题：（1）不能根据我厂工艺流程调节合适的转速，物料的固液分离不能达到理想的效果。（2）因为成都电冶厂的物料组成较为特殊，以至离心机在启动和运行中振动很大，设备使用寿命大大缩短。为此我们采用变频器对离心机的电动机进行控制，设备的使用寿命延长了12倍，提高金属回收率1倍左右，仅一年节约的镍金属就价值45万元。该项改造很好地解决了原来设备存在的问题，提高了生产效率和经济效益。

二、变频器的原理及相关设备的选用

（一）变频器的基本原理

变频器的基本原理是用一种特定的方式对变频器中的晶闸管开关进行简单的导通和关断，直接把输入的电压波形“大致”调制成所需频率的大致交流波形，如图2所示。

图2　变频器的基本构成

变频器大体有4种控制方式：V/F控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制。成都电冶厂采用V/F控制。

什么是V/F控制？它是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压与频率的比，所以称为V/f控制。

为什么控制f就能够调整转速呢？异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极对数决定，在改变频率时，电动机的同步转速随着改变，当电动机负载运行时，电动机转子转速略低于电动机的同步转速，即存在滑差。滑差的大小和电动机的负载大小有关。公式如下：

N：电机转速

P：极对数

f：频率

s：转差率

既然改变f就能够调整电动机的转速，那么保持V/f恒定控制有何意义？它与电动机正常运行又有什么关系呢？从图3和公式，我们可知这其中的联系。

图3　异步电动机的T形等效电路

电动机定子的感应电动势的关系为：

E₁：定子感应电动势

K_w1：电动机绕组系数

φ ：每极磁通

f₁：电源频率

W₁：电动机绕组匝数

电动机端电压和感应电动势的关系为：

V₁：定子相电压

r₁：定子电阻

x₁：定子漏抗

I₁：定子电流

在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏抗的电压降较小，电动机的端电压和电动势近似相等。由（1）可见，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着改变，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频率f降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机的感应电动势E不变，那么，由公式（1）可知，电动机的磁通φ将增大。由于电动机设计时电动机的磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。磁通出现饱和后将会造成电动机流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和电动机的铁损耗。而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。显然，若在电动机变频控制时，能保持E/f为恒定，可以维持磁通恒定。

由于电动机的电动势检测比较困难，考虑到在电动机正常运转时电动机的电压和电动势近似相等，由公式（2）可知，通过控制V/f比一定以保持磁通恒定。所以变频器可实现软启动，使电动机逐渐加速，减少了设备启动时的振动。运行时为了在电动机中保持恒定的磁通量，按照频率来调节外加电压的幅值，这就要求电压和频率的比值为一常数。但对实际电动机来说保持“气隙”电压和频率之比为常数，就需要以大于这一比例的数值来调节外加电压，以补偿定子电流在绕组串联阻抗上产生的电压降。由于该离心机在实际运行中的工作频率较高，一般在30～40Hz之间，因此电压降实际只占电动机额定电压的很小部分。负载变化引起外加电压幅值所需做的小量调节对电动机运行的实际影响不大，所以负荷在该段频率调节时的转矩性能较好，故V/f曲线如图4所示。

图4

这样通过变频器对设备工作速度的调节，使离心机达到平稳的工作状态，延长了设备的使用寿命，而且使离心机的运转速度能够调节到物料固液分离的最佳状态，经济效益十分明显。

（二）变频器选型

变频器选型需注意电压等级和最大适用电动机容量两参数。电压等级是根据使用单位的实际用电电压确定，如变频器电压等级选得过低会减少设备使用寿命，使变频器自动保护功能动作，导致设备不能正常运行；如变频器的电压等级选得过高，相当于减少了变频器所带负荷的容量，很不经济，成都电冶厂电网电压长期运行在440～448V之间，所以我们选用440V电压等级的变频器。

设备厂家在选用电动机时，一般都考虑了短时过载等非常情况，留有一定的余量，因此变频器的容量只需与电动机的额定容量相匹配即可。

在使用过程中，如果电动机实际负荷过小，存在大马拉小车的情况。从经济的角度考虑，可以按照实际运行时的电流大小，选择变频器的容量。

但此时需要注意，如果电动机长期运行在总负荷容量的30％以下的时候，电动机的电抗随电动机的容量而不同，即使负荷相同，电动机容量越大其脉动电流值也越大，也就是说这时只考虑电动机电流是不够的，还需要考虑脉动电流的影响，负荷越轻，这部分的影响就越大。需放大变频器的容量，才能解决这方面的问题。

（1）离心机负荷的特殊性。由于离心类负荷惯性较大，一旦在运行中降低速度，电动机的动能就会转化为电能，该电能反馈回变频器，造成变频器内部直流高压侧电压过高，引起变频器保护功能动作，设备停止工作。这样一来，既无法实现在运行中对离心机进行调速的要求，又会对变频器造成伤害，缩短变频器的使用寿命。所以需要采用适当措施将这部分能量消耗掉或回馈到电网，一般有电阻制动、直流制动、PWM整流等方式。成都电冶厂采用了电阻制动的方式。

电阻制动是在直流侧安装制动电阻，当电容电压升到一定数值时，控制制动电阻支路上的开关元件导通，从电动机回馈到直流侧的能量消耗在制动电阻上，避免电容电压进一步升高。制动电阻的选择包括电阻的阻值和电阻的容量，前者决定制动时流过电阻的电流，后者决定电阻容许的发热量。由于制动电阻通常工作在断续工作制，电阻容量的选择应考虑工作时间。在选择制动电阻的阻值和容量时要对系统的制动能量进行仔细的校核。

制动单元在系统中的连接位置，如图5所示。

图5

N

放电电阻的选择：

电动机的轴输入功率为：

电动机的输出功率为：

变频器内部能量为：

P_1M：轴输入功率，

P_1NV：输出功率

P_DC：变频器内部能量，反馈的能量经过整流，变为储存在变频器直流侧大功率电容两侧的直流功率。

T_1M：电动机转矩

N_1M：电动机转速

η_1M：电动机效率

η_1NV：变频器效率

放电电阻的值

对于440等级的V_DC约为770V。

电阻值的余量系数，考虑到连线分布，电阻器本身阻值的分散性以及电阻的温度分散性等因素，在选定电阻值时要留有余量，一般情况选1.2倍。选用阻值=计算值/1.2。

（2）放电电流值。放电电流的电流值应小于变频器的额定电流值，因此有I_P=V_DC/选定阻值，小于变频器的额定输出电流值。余量系数，当考虑到过负荷的情况下，需要留一些余量。当然要求的可靠性越高，余量应该越大，通常情况下为1.2～2倍。

（3）制动单元的工作原理。当电动机以发电机状态运行，产生再生能量，使变频器内直流中间环节的直流电压升高；直流电压达到使制动单元开的状态；再生制动单元的功率开关导通，电流流过制动电阻；制动电阻放出热量，吸收了再生能量，电机的转速降低，直流侧的电压变低。直流侧的电压降低使制动单元的功率开关关断，这时没有电流流过制动电阻。如果负荷未停将继续累积能量，直流电压再次升高，当直流侧的电压高到使制动单元重新动作时，制动单元重复以上开关过程，平衡直流电压，使系统正常运行。当再生能量大时，再生制动单元的开关频率增高，使制动转矩增大，单位时间电能转换为热能的量增大。综上所述，我们选用的制动电阻为40Ω，1500W。在离心机减速时，动能消耗在制动电阻上，变频器内部不再产生过电压，延长了变频器的使用寿命。

（4）主电源的干扰和谐波。变频器从电网吸取非正弦的电流，这将增加输入电流有效值。非正弦电流通过傅立叶分析可以展开为不同频率的正弦波，也即以50Hz为基频的不同频率的谐波电流。谐波不直接影响功率的消耗，但会增加系统的热损耗，造成变压器过载和电缆高温。有些谐波电流还会干扰接在同一变压器上的通信设备。选用有中间电路电感线圈的变频器，能够抑制减小谐波电流，解决上述问题。

（5）提高系统效率。变频调速系统的效率（ηs）是由变频器效率（ηv）与电动机效率（ηm）的乘积确定的，即：ηs=ηv∗ηm。

如何才能提高效率呢？当变频器的输出波形越接近正弦波，则系统效率越高。加入LC滤波器可以减少电压的上升时间（dv/dt）抑制纹波电流，从而使电压电流接近正弦。这样，不但提高了系统的效率，还将减少电动机的声频噪声。

（6）电缆的选择。频率范围为150KHz至30MHz的电子干扰一般来自传导。传动系统中范围为30MHz至1GHz的空间辐射干扰产生于逆变器，电机电缆及电动机。电动机电压较高的dv/dt以及电机电缆上的容性电流产生了漏电流。使用屏蔽的电机电缆会增加漏电流，如图6所示。

图6

这是由于屏蔽电缆有较大的对地电容。如果漏电流未被滤掉，将导致在电网中产生5MHz以下射频范围内的较大干扰。由于漏电流（I₁）通过屏蔽层（I₃）返回逆变器单元，从而可知屏蔽电缆上产生较小的电磁场；屏蔽减少了射频干扰，增加了对主电路的低频干扰；电机电缆必须与变频器的外壳相连；连接时要避免屏蔽端的尾部绞合，这会增加高频时的屏蔽阻抗，从而减小了屏蔽效果，增加了漏电流I4。

如屏蔽电缆用于控制电缆或信号通讯及制动装置上，屏蔽两端均应接外壳，然而这时有必要切断屏蔽层以避免电流环流。

因上述原因，成都电冶厂电动机的电力电缆一般采用普通电力电缆，截面不应过大。控制电缆采用屏蔽电缆；电缆的长度尽量缩短，尽可能减少变频器对整个系统的干扰水平。

三、变频调速的参数设置、安装环境及主回路和控制电路

（1）参数设置。成都电冶厂采用V/F方式调节控制变频器，当输出、输入频率比增大时，输出电压的畸变也将显著增大。为了避免变频器低频输出时电压波形畸变，引起电动机抖动，电动机发热，损坏电动机，我们对输出频率进行限制，将输出频率下限设置为9Hz，避免了上述情况发生。针对惯性较大的负荷，参数设置时可适当延长减速时间，也能在一定程度上抑制负荷反馈回电能，避免造成变频器过电压。

（2）安装环境。变频器主要由各种电子元件组成，它对于工作环境的要求较高。当环境温度超过它的最高工作温度时，变频器必然会降低其持续电流输出的额定值，如图7所示。

图7

因为离心机工作现场的环境较差，为了保证设备可靠运行，延长变频器的使用寿命，我们将变频器安装在远离工作现场的地方。

（3）主回路及控制回路。由于这个是旧设备改造，我们在改造中充分考虑照顾操作人员的操作习惯，保持原有的工作顺序不变。根据操作人员的实际需要，重新设计了主回路及控制回路。用电位器给定频率，控制电动机的转速，实现无级调速。用一个转速表显示电动机的实际转速，给操作人员提供可靠的操作依据。

改造前的工作顺序是：按下控制按钮 → PLC发出运行信号 → 接触器吸合 →主机运行，

改造后的工作顺序是：按下控制按钮 → PLC发出运行信号 → 接触器常开触点闭合→ 变频器接收运行指令开始工作 → 主机运行。

为了节省投资，我们最大限度地利用设备的原有电气元件。改造后只增加了必备的几样元件，主回路如图8所示。

图8

四、运行情况

改造前，离心机每使用十多天就需检修，改造后可连续使用半年以上，延长了设备使用寿命，而且离心机的运转速度能够调节到海绵铜固液分离的最佳状态。海绵铜中含镍由原来的5％～8％降低到3％～4％，镍金属的回收增加一半左右。成都电冶厂满负荷生产时每年生产海绵铜800多吨，其中含镍约37吨，由于镍金属的回收增加，每年少损失镍40％约15吨，按每吨镍3万元计算，仅此一项节约镍金属价值45万元，经济效益十分明显。