雲工控資訊:變頻器應用的7個誤區分析


雲工控資訊:變頻器應用的7個誤區分析

誤區 1:

使用變頻器都能節電 一些文獻宣稱變頻器是節電控制產品,給人的感覺是隻要使用變頻器都能節電。實際上變頻器之所以能夠節電,是因為其能對電動機進行調速。如果說變頻調速器是節電控制產品 的話,那麼所有的調速設備也都可以說是節電控制產品。變頻調速器只不過比其它調速設備 效率和功率因數略高。

變頻器能否實現節電,是由其負載的調速特性決定的。對於離心風機、離心水泵這類負 載,轉矩與轉速的平方成正比,功率與轉速的立方成正比。只要原來採用閥門控制流量,且 不是滿負荷工作,改為調速運行,均能實現節電。

當轉速下降為原來的 80%時,功率只有原 來的 51.2%。可見,變頻調速器在這類負載中的應用,節電效果最為明顯。對於羅茨風機這類 負載,轉矩與轉速的大小無關,即恆轉矩負載。若原來採用放風閥放走多餘風量的方法調節 風量,改為調速運行,也能實現節電。當轉速下降為原來的 80%時,功率為原來的 80%。比 在離心風機、離心水泵中的應用節電效果要小得多。對於恆功率負載,功率與轉速的大小無 關。水泥廠恆功率負載,如配料皮帶秤,在設定流量一定的條件下,當料層厚時,皮帶速度 減慢;當料層薄時,皮帶速度加快。變頻調速器在這類負載中的應用,不能節電。

與直流調速系統比較,直流電動機比交流電動機效率高、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,宣稱使用 交流異步電動機和變頻調速器比使用直流電動機和直流調速器要節電,理論和實踐證明,這 是不正確的。

誤區 2:變頻器的容量選擇僅以電動機額定功率為依據

相對於電動機來說,變頻調速器的價格較貴,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極交流異步電動機的功率。由於同容量電動機,其極數不同,電動機額定電流不同。隨著電動機極數的增多,電動機額定電流增大。變頻調速 器的容量選擇不能僅以電動機額定功率為依據。同時,對於原來未採用變頻器的改造項目, 變頻調速器的容量選擇也不能僅以電動機額定電流為依據。這是因為電動機的容量選擇要考 慮最大負荷、富裕係數、電動機規格等因素,工業用電動機常常在 50%~60%額定負荷下運行。 若以電動機額定電流為依據來選擇變頻調速器的容量,留有富裕量太大,造成經濟上的浪費, 而可靠性並沒有因此得到提高。

對於鼠籠式電動機,變頻器的容量選擇應以變頻器的額定電流大於或等於電動機的最大 正常工作電流 1.2 倍為原則。對於重載起動、高溫環境、繞線式電動機、同步電動機等條件下, 變頻器的容量應適當加大一級。

對於一開始就採用變頻器的設計中,變頻器容量的選擇以電動機額定電流為依據無可厚 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,等設備實際運轉一段時間後,再根據實際電流進行選擇。

誤區 3:用視在功率計算無功補償節能收益

用視在功率計算無功補償節能效果。如原系統風機工頻滿載工作時,電動機運行電流為 289A,採用變頻調速時,50Hz 滿載運行時的功率因數約為 0.99,電流是 257A,這是由於變頻 器內部濾波電容產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。在上例中,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機及其負載決定的。功率因數的提高並沒有改變風機的負載,也 沒有提高風機的效率,風機實際消耗的功率沒有減少。功率因數提高後,電動機運行狀態也

沒有改變,電動機定子電流並沒有減少,電動機消耗的有功功率和無功功率都沒有改變。功 率因數提高的原因是變頻器內部濾波電容產生無功功率供給了電動機消耗。隨著功率因數提 高,變頻器的實際輸入電流減少,從而減少了電網至變頻器之間的線損和變壓器的銅耗。同 時,負荷電流減小,給變頻器供電的變壓器、開關、接觸器、導線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 滿載運行時,不僅沒有節能,而且還費電。因此,用視在功率計算節能效 果是不對的。

某廠離心風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。在進行變頻調速改造前,閥門全開,通過測試發現,電動機電流 70A,只有 50%負 荷,功率因數為 0.49,有功功率為 22.6kW,視在功率為 46.07kVA。在採用變頻調速改造後, 閥門全開,額定轉速運行時,三相電網平均電流為 37A ,從而認為節電( 70 - 37 )÷70×100%=44.28%。這樣計算,看似合理,實質上仍是以視在功率計算節能效果。該廠在進一 步測試後發現,此時功率因數為 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約。產生這種錯誤的關鍵在於沒有考慮功率因數提高對電流下降 的影響,默認功率因數不變,從而片面誇大了變頻器的節能效果。因此,在計算節能效果時, 必須用有功功率,不能用視在功率。

誤區 4:變頻器輸出側絕對不能加裝接觸器

幾乎所有變頻調速器使用說明書都指出,變頻調速器輸出側不能加裝接觸器。變頻器說明書的規定是為了防止在變頻調速器有輸出時接觸器動作。變頻器在運行中連接負載,會由 於漏電流而使過電流保護迴路動作。

那麼,只要在變頻器輸出與接觸器動作之間,加以必要 的控制聯鎖,保證只有在變頻調速器無輸出時,接觸器才能動作,變頻調速器輸出側就可以 加裝接觸器。這種方案對於只有1臺變頻器,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。當運行的電動機出現故障時,可以很方便地將變頻器切換到備用 電動機,經過延時使變頻器運行,實現備用電動機自動投入變頻運行。並且還可以很方便地 實現2臺電動機的互為備用。

誤區 5:變頻調速器在離心風機中的應用,可完全取代風機的調節閥門

採用變頻器對離心風機進行調速來控制風量,與調節閥門控制風量相比,具有明顯的節

電效果。但在有些場合,變頻調速器不能完全取代風機的閥門,在設計中要引起特別注意。 離心風機的風量與轉速的一次方成正比,風壓與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成 正比。調節閥門控制風量,隨著風量的減少,風壓反而增加;而採用變頻器調速來控制風量 可能轉速太高,風量太大;若降低轉速,風壓又滿足不了工藝要求,吹不進風。因此離心風 機在使用變頻調速器調速節電時,要兼顧風量和風壓這 2 個指標,否則會帶來不良的後果

誤區 6:忽視變頻器的自身特點

變頻調速器的調試工作一般由經銷廠家來完成,不會出現什麼問題。變頻調速器的安裝 工作較簡單,一般由用戶來完成。一些用戶不認真閱讀變頻調速器的使用說明書,不嚴格按 照技術要求進行施工,忽視變頻器自身特點,將其等同於一般電氣器件,憑想當然和經驗辦事, 為故障和事故埋下了隱患。

根據變頻調速器的使用說明書的要求,接到電動機的電纜應採用屏蔽電纜或鎧裝電纜, 最好穿金屬管敷設。截斷電纜的端頭應儘可能整齊,未屏蔽的線段儘可能短,電纜長度不宜 超過一定的距離(一般為 50m)。當變頻調速器與電動機間的接線距離較長時,來自電纜的 高諧波漏電流會對變頻調速器和周邊設備產生不利影響。從變頻器控制的電動機返回的接地 線,應直接連到變頻器相應的接地端子上。變頻器的接地線切勿與焊機及動力設備共用,且 儘可能短。由於變頻器產生漏電流,與接地點太遠則接地端子的電位不穩定。變頻器的接地 線的最小截面積必須大於或等於供電電源電纜的截面積。為了防止干擾而引起的誤動作,控 制電纜應使用絞合屏蔽線或雙股屏蔽線。同時要注意切勿將屏蔽網線接觸到其它信號線及設備外殼,用絕緣膠帶纏包起來。為了避免其受到噪聲的影響,控制電纜長度不宜超過 50m。 控制電纜和電動機電纜必須分開敷設,使用單獨的走線槽,並儘可能遠離。當二者必須交叉 時,應採取垂直交叉。千萬不能將它們放在同一個管道或電纜槽中。而一些用戶在進行電纜 敷設時,沒有嚴格按照上述要求進行施工,導致在單獨調試時設備運轉正常,正常生產時卻 干擾嚴重,以致不能運行。

誤區7:設置多重保護

由於擔心變頻器損壞,在變頻器的三相電源進線處設置多重保護,如採用熔斷器、漏電保護器、交流接觸器和三相空氣開關等,認為保護越多越安全,但事實並非如此。 如漏電保護器,往往會限制變頻器能力的正常發揮。一般的變頻器都允許超過額定電流150%或更多運行幾十秒鐘,以適應電機啟動和負載的突然增加情況,但這種能力往往會被漏 電保護器所限制,以致變頻器在啟動帶負載的電動機時無法正常工作。

再如熔斷器和接觸器的使用,容易造成缺相。因為目前常用的普通變頻器是“交—直— 交”模式,即將三相交流電通過整流電路變成直流,再將直流經單片機控制電路以脈寬調製 的方式控制大功率晶體管驅動電路將直流按頻率和電壓的要求變成準正弦三相交流去驅動交 流電動機。如果熔斷器的其中一相熔斷或接觸器的某一個觸點因燒損而接觸不良,就會使三 相整流變成兩相整流,破壞變頻器的工作條件,這也是造成變頻器損壞的主要原因之一。

事實上為了適應各種工業用途,變頻器內部設置了多種保護措施,如過壓保護、欠壓保 護、過流保護和過熱保護等,用不著再另外設置。為了控制電源,一般在變頻器電源進線上 串接一個兩倍變頻器額定電流的交流接觸器和三相空氣開關就行了。注意,除緊急情況外, 接觸器的通斷只能在變頻器停止運行的情況下才能進行。

在變頻調速器的日常維護中也要特別小心。有的電工一發現變頻器故障跳停,就立即打 開變頻器進行維修。這樣做是很危險的,有可能發生人身觸電事故。這是因為即使變頻器不處於運行狀態,甚至電源已經切斷,由於其中的電容器的存在,變頻器的電源輸入線、直流 端子和電動機端子上仍然可能帶有電壓。斷開開關後,必須等待幾分鐘後,使變頻器放電完 畢,才能開始工作。還有的電工習慣於一發現變頻調速系統跳停,就立即用搖表對變頻器拖 動的電動機進行絕緣測試,從而判斷電動機是否燒燬。這也是很危險的,易使變頻器被燒。 因此,在電動機與變頻器之間的電纜未斷開前,絕對不能對電動機進行絕緣測試,也不能對 已連接到變頻器的電纜進行絕緣測試。

對變頻器的輸出參數進行測量時也要特別注意。由於變頻器的輸出為 PWM 波形,含有高 次諧波,而電動機轉矩主要依賴於基波電壓有效值,故測量輸出電壓時,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 頻率有極好的線性關係。若需進一步提高測量精度,可以採用阻容濾波器。數字萬用表容易 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圈式電流表(在電動機負載時,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採用電流互感器時,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。

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