水泥企業(yè)變頻器的選擇

　　水泥企業(yè)為達到提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能量的目的，必須正確選擇系統(tǒng)配置，特別是選擇這種系統(tǒng)中的電動機和變頻器，涉及可靠性、性能和價格三方面的因素。
　　1.變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機的選擇
　　變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動機、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負載及傳動機構(gòu)。
　　在選擇電動機時不僅要考慮驅(qū)動機械負載和使其加速所需的電機容量，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境選擇相應(yīng)的電機防護等級。另外，由于這時電機不是由電網(wǎng)供電，而是由變頻器供電(即在變頻調(diào)速運行時，大部分時間里該電動機不是工作在該電機設(shè)計制造的額定工況)，會帶來諧波、電磁干擾，也許會出現(xiàn)局部過電壓、過電流等問題。同時，也須考慮讓變頻器盡量減少諧波、電磁干擾等帶來的不良影響。
　　1.1電動機容量的選擇
　　(1)選擇因素
　　水泥企業(yè)電機負載均很大，加之工藝過程波動很大。在選擇電機容量時，應(yīng)考慮以下因素：
　　①電機的容量應(yīng)大于負載所需的功率。
　?、陔姍C的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于負載的啟動轉(zhuǎn)矩，并要有足夠的裕量。
　?、廴綦娫措妷合陆盗?0％時，電機仍能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
　?、茈姍C應(yīng)在規(guī)定的溫升范圍內(nèi)使用。
　?、葆槍ω撦d的性質(zhì)，選擇適合的電機運行方式。
　　實際上，在選擇用于變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動機時，要在考慮有諧波條件下，電動機的電氣、發(fā)熱和機械出力三個方面的綜合狀況。特別在中、大型電動機中，要考慮過電壓毛刺對電動機絕緣的影響，諧波成分對電動機溫升的影響，轉(zhuǎn)速調(diào)低(低頻下)對電動機通風(fēng)冷卻的影響，在調(diào)速條件下對軸力矩的影響。
　　考慮以上因素，實際的電機容量可由下式求得
　　電動機的容量—驅(qū)動負載所需的動力＋加速／減速所需的動力
　　(2)驅(qū)動負載所需動力的計算
　　負載的形式多種多樣，比較典型的有恒轉(zhuǎn)矩負載、平方降轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載，下面結(jié)合水泥企業(yè)應(yīng)用舉例說明。
　?、倨椒浇缔D(zhuǎn)矩負載
　　a.泵類負載所需的動力功率計算公式為

　　式中k——裕量系數(shù)，k＝1.1～1.2；
　　ρ——液體的密度，kg/m³；
　　Q——流量，m³／min；
　　H——揚程，m；
　　p——泵的效率，p＝0.6～0.83。
　　b.風(fēng)機類負載所需的動力功率的計算公式為
　　
　　式中k——裕量系數(shù)，k＝1.1～1.2；
　　Q——風(fēng)量，m³／min；
　　H——風(fēng)壓，Pa；
　　——風(fēng)機的效率，＝0.3～0.75。
　　2.變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的選擇
　　隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的功能、性能得到了很大的提高。根據(jù)其性能及控制方式不同可分為：通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次為v／f(常熟控制)控制、電壓型PWM控制、矢量控制等。用戶可根據(jù)生產(chǎn)的需要，在變頻器性能規(guī)格、容量等方面進行選擇。
　　2.1變頻器種類的選擇
　　根據(jù)負載機械的工作特點，結(jié)合對調(diào)速范圍、調(diào)速精度和經(jīng)濟性的要求，用戶可以選擇不同種類的變頻器來控制調(diào)速運行。
　　(1)通用型變頻器
　　一般采用v／f控制方式，適用于風(fēng)機、泵類負載場合。其節(jié)能效果顯著，調(diào)速范圍和調(diào)速精度較低，因此成本較低。
　　(2)多功能通用變頻器
　　多功能變頻器主要適應(yīng)工業(yè)自動化，自動倉庫、升降機、搬運系統(tǒng)、小型CNC機床、擠壓成型機、紡織及包裝機械等高速、高效需求。
　　水泥企業(yè)一般采用通用型變頻器較多，多功能通用變頻器應(yīng)用較少。
　　2.2 變頻器的規(guī)格和指標
　　在選擇變頻器時，會接觸到許多生產(chǎn)廠家提供的各類變頻器的產(chǎn)品樣本，這些樣本主要介紹變頻器的系列型號、特點以及各種功能和指標。用戶根據(jù)自己的實際需要，就這些產(chǎn)品的性能、指標進行比較、篩選，以確定適合于自己的變頻器。
　　(1)型號
　　一般為廠家自定的系列名稱，包括電壓等級和可適配電機的容量。
　　(2)電壓級別
　　根據(jù)各國的工業(yè)標準或用途不同，其電壓級別也各不相同，在選變頻器時，首先應(yīng)注意其電壓級別是否與電源電壓和電機的電壓相適合。
　　(3)最大適配電機
　　在最大適配電機一欄中，通常給出最大適配電機的容量。應(yīng)該注意這個容量一般以4極普通異步電動機為對象，而同容量的6極以上電機和變極電機等電機的額定電流比4極普通異步電動機的額定電流大，因此，在驅(qū)動4極以上電機時就不能單單以此項指標選擇變頻器，同時還要核對變頻器的額定輸出電流是否滿足電動機的額定電流。
　　(4)電源
　　變頻器對電源的要求主要有電壓／頻率、允許電壓變化率和允許頻率變化率等三個方面。通常對電壓及頻率變化率的要求分別為±l0％和5％。如果用戶安裝變頻器的所在地點的供電電源電壓波動超出通常規(guī)定的范圍(或上限或下限)，應(yīng)同供貨廠家討論。
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　　(5)控制特性
　?、?電壓型還是電流型。
　　②.PAM、PWM或SPWM調(diào)節(jié)方式。
　?、?V／f控制，轉(zhuǎn)差頻率控制方式或矢量控制。
　?、?輸出頻率范圍，一般最低為0.1Hz，最高頻率因變頻器性髓而異，該調(diào)速范圍應(yīng)滿足用戶的應(yīng)用需要，同時要了解在所用系統(tǒng)中，在該頻率范圍內(nèi)是否有機械共振或出現(xiàn)轉(zhuǎn)速振蕩的可能。
　?、?輸出頻率分辨率，設(shè)定頻率的分辨率，輸出頻率的精度。
　　⑥.頻率設(shè)定方式。有自身的參數(shù)設(shè)定，電位器設(shè)定，外部(0～5V、4～20mA)設(shè)定以及上位機發(fā)送的RS－232和RS－485等信號設(shè)定。
　?、?電壓/頻率特性。變頻器中存有多種V/f特性，如轉(zhuǎn)矩增強，平方降轉(zhuǎn)矩負載節(jié)能特性等供用戶選擇。
　?、?載頻頻率。載頻頻率的高低標志著輸出波形的質(zhì)量，早期的GTR型變頻器的載頻頻率為1～3kHz，目前常采用IGBT，載頻頻率可達10～20kHz，另外還有同步調(diào)制和異步調(diào)制之分。
　　⑨.過載能力。變頻器所允許的過載電流以額定電流的百分數(shù)和允許時間來表示。一般變頻器的過載能力為額定電流的l50％，持續(xù)60s。
　?、?加減速時間設(shè)定。加速、減速時間作為基本功能可分別設(shè)定。高性能變頻器還具有曲線加速，多擋加、減速時間設(shè)定以及外部控制加減速功能。
　　⑾.制動方式。變頻器的電氣制動一般分為能耗制動或再生反饋制動。能耗制動時不加外接制動電阻的場合制動力約為20%，加外接制動電阻時制動力可達100%。能耗制動用于制動頻率不高的場合。從節(jié)能的角度來看，再生反饋制動是最好的方式，但是相對較為復(fù)雜，價格也較高，主要用于頻繁啟動、制動的場合。
　?、?運行控制方式。變頻器應(yīng)具有標準的有觸點控制的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸入功能，同時還可對停止的方式進行設(shè)定，如自由停止還是加速停止。另外通常還具有通過參數(shù)設(shè)定或由外部信號選擇多級調(diào)速運轉(zhuǎn)功能。
　?、?變頻器的保護。欠壓保護、過壓保護、過流保護、失速保護、過熱保護以及再啟動功能等。
　　2.3變頻器容量的選擇
　　在確定系統(tǒng)中變頻器的容量時應(yīng)考慮電動機的容量、電動機的額定電流、加速時間等幾方面因素。下面就如何選定通用型變頻器容量做一些簡單介紹。
　　對于連續(xù)運行的變頻器必須同時滿足表3－1中所列三項要求。

　　注：PM——負載要求的電動機輸出功率，kW；
　　——電動機的效率，通常為0.85；
　　——電動機的功率因數(shù)，通常為0.75；
　　VE——電動機額定電壓，V；
　　IE——電動機額定電流，A；
　　k——電流波形補償系數(shù)，通常為1.05～1.1。
　　2.4 低壓變頻器的選型
　　低壓變頻器指輸入電源電壓為單相220V和三相380V的變頻器，這是水泥企業(yè)用量最大、應(yīng)用最為廣泛的變頻器系列。低壓變頻器的選型首先要考慮用途，選擇通用型還是專用型，要盡量使系統(tǒng)的各種功能通過變頻器來實現(xiàn)。其次比較各廠家同類變頻器的功能差別、性能價格比、售后服務(wù)，確定廠家及變頻器型號。選型時還應(yīng)注意與其它電氣元件的接口互聯(lián)問題，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理緊湊。以下以三墾公司四個系列產(chǎn)品的特點加以說明。它們都采用IGBT模塊或IPM作為逆變器開關(guān)器件。
　　(1)VFA5P系列風(fēng)機水泵專用變頻器
　　矢量控制：采用獨特的矢量運算控制，內(nèi)藏PID。
　　學(xué)習(xí)加減速：根據(jù)負荷自動調(diào)整適當(dāng)?shù)募訙p速時間，使加減速時間最短。
　　自動節(jié)電方式：在保證輸出轉(zhuǎn)矩的前提下，比選用標準的V/f曲線節(jié)能效果更好。
　　電壓反饋控制：可使輸出電壓穩(wěn)定，不隨輸入電壓的變化而變化。
　　輸入輸出端子功能：可在數(shù)十種功能中進行可編程設(shè)定。
　　瞬停再啟動功能：再啟動時檢測電機旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)地再啟動。
　　軟失速功能：可在過載時不跳閘，降低輸出頻率繼續(xù)運轉(zhuǎn)。
　　瞬停不停控制：可在瞬間停電時繼續(xù)維持運轉(zhuǎn)l5ms以上。
　　狀態(tài)監(jiān)控；可顯示l6種參數(shù)中的任意4種。如頻率、電流、電壓、功率等。
　　模擬量輸出信號：可輸出16種參數(shù)中的任意2種(頻率、電流、功率等)。
　　PWM載載頻率：最高可達17kHz，中小功率為12～15kHz，真正靜音，輸出電流波形中高次諧波含量減小，載波頻率的提高對帶負荷能力的影響小。
　　完善的保護功能：防止過流、過壓、過負荷、過熱等，過載能力120％-1min。
　　(2)VFA5系列—般工業(yè)通用變頻器
　　在VFA5P的全部功能和特性基礎(chǔ)上增加了功能和特性：
　　過載能力；75kW以下150%-2min，90kW以上150%-1min。
　　增加工程特殊功能：搬運機械，升降機械，金屬切削及加工機床等特殊用途的功能。
　　轉(zhuǎn)速控制精度：無傳感器矢量控制為土1%，有傳感器矢量控制為土0.5%。
　　頻率精度：采用纖維機械功能時頻率控制精度為±0.015，分辨率為0.01Hz。
　　其它功能：模擬信號控制正反轉(zhuǎn)，制動釋放，直流制動，輕載時高速運轉(zhuǎn)，低振動，低轉(zhuǎn)矩脈動，鉆頭損壞預(yù)防等。
　　(3)VFA7系列新一代通用變頻器
　　在VFA5基礎(chǔ)上改進并提高的性能指標如下。
　　內(nèi)置抗干擾濾波器：15kW以下內(nèi)置EMI(電磁干擾)抗干擾濾渡器，適應(yīng)EMC(電磁兼容)指令，為CE標記對應(yīng)的產(chǎn)品，為ISO9001及ISO14001認證產(chǎn)品。
　　輸出轉(zhuǎn)矩提高；在0.5Hz時可輸出高達2005的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速控制范圍擴展到1：150。
　　轉(zhuǎn)矩控制功能：可通過轉(zhuǎn)矩控制信號直接控制電機轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速由負載轉(zhuǎn)矩決定。
　　計算機接口：標準RS485，RS232C，Prolibus，DeviceNet，TOSLINEF10M/S20可選。
　　傳感器矢量控制：可對電機的速度、轉(zhuǎn)矩、位置進行高精度控制。
　　標準顯示：可顯示30種參數(shù)中的任意一種，如頻率、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率等。
　　狀態(tài)監(jiān)控：可顯示30種參數(shù)中的任意4種，如頻率、電流、電壓、功率等。
　　輸入端子：在136種功能中任選一種，具有可編程功能。
　　輸出端子：在120種功能中任選一種，具有可編程功能。
　　控制端子公共端極性變換：與PLC(可編程序控制器)一起使用，可進行漏極/源極和輸入/輸出邏輯變換。
　　V/f參數(shù)變換：對最多4臺電機進行V/f參數(shù)變換。
　　均衡功能：在兩臺或以上變頻器驅(qū)動同一負載時，防止負載不均衡造成變頻器過載。
　　更完善的保護：增加了輸入輸出缺相保護功能。
　　隨著技術(shù)發(fā)展、功能日益完善，低電壓變頻器已經(jīng)發(fā)展成比較成熟的多系列產(chǎn)品。應(yīng)該說，正確選擇變頻器是系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定運行的前提。選型不合理，使用不當(dāng)，常是變頻器系統(tǒng)故障、性能不能滿足要求的主要原因。
　　2.5高壓變頻器的選型
　　近年來水泥行業(yè)隨著電價的不斷攀升，高壓變頻節(jié)能技術(shù)越來越受到人們的親睞，訂貨數(shù)量不斷增加。本文從電壓等級、拓撲結(jié)構(gòu)、控制方式等幾方面提出建議，供水泥企業(yè)選型時參考。
　　(1)電壓等級
　　我國高壓電機常用電壓等級為6kV和10kV，另有少量3kV等級的高壓電機。絕大部分的高壓變頻器輸入都有一個隔離變壓器，所以變頻器輸入電壓通常能滿足不同電網(wǎng)電壓等級的要求。變頻器的輸出電壓等級選擇通常按照技改項目和新建項目有不同的選擇原則。對于技改項目，本來電機工頻運行，由于通常不會更換電機，加裝變頻器后，要求變頻器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓一致，通常為6kV或10kV。對于新建項目，如果不需要工頻旁路，電機電壓可以配合變頻器進行優(yōu)化，如對于中小功率可選擇2.3kV或3kV輸出電壓等級，以降低成本。如果需要工頻旁路，建議變頻器輸出電壓等級和電網(wǎng)電壓一致，否則旁路比較復(fù)雜。
　　(2)電壓源型和電流源型
　　目前絕大部分的高壓變頻器均屬于交直交型變頻器，按中間直流環(huán)節(jié)所用儲能元件的不同，可分為電壓源型和電流源型。
　　目前主要的電流源型變頻器為SGCT-PWM電流源型變頻器。電流源型變頻器的優(yōu)點是能量可以回饋電網(wǎng)，可以實現(xiàn)四象限運行。電源側(cè)常采用三相橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波較大，為了降低諧波成分，可采取多重化，有時還必須加輸入濾波裝置。輸入功率因數(shù)一般較低，通常要附加功率因數(shù)補償裝置。由于不像電壓源變頻器，在直流環(huán)節(jié)的大濾波電容能存儲較大的能量，電流源變頻器對電網(wǎng)電壓波動較為敏感，電網(wǎng)電壓波動較大時容易停機，是個比較大的缺點。
　　若整流電路也采用SGCT做電流PWM控制，可以得到較低的輸入電流諧波和較高的輸入功率因數(shù)，并且可省去輸入隔離變壓器。但PWM整流會導(dǎo)致變頻器效率有一定程度下降。
　　(3)V/F控制和無速度傳感器矢量控制
　　無速度傳感器矢量控制技術(shù)能在基本不增加硬件成本的情況下，大大提高變頻器的性能。即使用在風(fēng)機水泵等穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求相對較低的負載場合，無速度傳感器矢量控制具有的轉(zhuǎn)矩限幅、快速轉(zhuǎn)速跟蹤再起動等功能有效地防止加速過程的過電流跳機和減速過程中的過電壓跳機和其它不正常的停機現(xiàn)象，對于保證變頻器的可靠運行有非常重要的意義。目前如西門子、Rockwell、通用廣電、三墾等廠家都能提供無速度傳感器矢量控制的高壓變頻器。ABB能提供采用直接轉(zhuǎn)矩控制的高性能變頻器。無速度傳感器矢量控制通常可達到的技術(shù)指標為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，起動轉(zhuǎn)矩150%。
　　(4)對電網(wǎng)諧波污染和輸入功率因數(shù)
　　對電網(wǎng)的諧波污染主要取決于整流電路的結(jié)構(gòu)和特性。減少電網(wǎng)諧波污染的主要方式有兩種：多重化整流和PWM整流。單元串聯(lián)多電平高壓變頻器通常整流脈沖數(shù)較多，對電網(wǎng)諧波污染較小。為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，電流源型變頻器通常采用18脈沖整流。三電平電壓源型變頻器至少需要12脈沖以上，要求高時可采用24脈沖。
　　電壓源型高壓變頻器由于采用二極管不可控整流，在整個運行范圍內(nèi)都有較高的功率因數(shù)，基波功率因數(shù)一般可保持在0.95以上，一般也不必設(shè)置功率因數(shù)補償裝置。電流源型變頻器采用晶閘管整流時，由于晶閘管觸發(fā)角導(dǎo)致的電流滯后，功率因數(shù)較低，且會隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，往往需要功率因數(shù)補償裝置。
　　PWM整流能有效減少諧波，功率因數(shù)可調(diào)，且能量可雙向流動。缺點是成本增加，效率下降。
　　(5)輸出波形及對電機適用性
　　輸出諧波對電機的影響主要有：引起電機附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機的額外升溫，電機往往要降額使用，諧波還會引起電機轉(zhuǎn)矩脈動，噪音增加。dv/dt和共模電壓會影響電機絕緣。
　　普通的二電平和三電平PWM電壓源型變頻器由于輸出電壓跳變臺階較大，相電壓的跳變分別達到直流母線電壓和直流母線電壓的一半，會產(chǎn)生較大的dv/dt。較大的dv/dt會影響電機的絕緣。所以這種變頻器一般需要特殊設(shè)計的電機，電機絕緣必須加強。如果要使用普通電機，必須附加輸出dv/dt濾波器。
　　單元串聯(lián)多電平高壓變頻器由于輸出電壓臺階多、等效開關(guān)頻率高，輸出波形得到極大改善。輸出諧波、噪聲、dv/dt和轉(zhuǎn)矩脈動均很小。所以這種變頻器不加濾波器就可用于任何普通的高壓電機，且不必降額使用。
　　當(dāng)沒有輸入變壓器時，共模電壓會直接施加到電機上，增加繞組對地的絕緣應(yīng)力，引起絕緣擊穿，影響電機的使用壽命（也有采用共模電抗器方案，一定程度上減緩共模電壓的影響）。如果設(shè)置輸入變壓器，則共模電壓由輸入變壓器和電機共同來承擔(dān)，且主要由輸入變壓器承擔(dān)。
　　(6)國產(chǎn)品牌和進口品牌
　　現(xiàn)在，隨著國內(nèi)高壓變頻器行業(yè)的迅速發(fā)展，國產(chǎn)主流高壓變頻器在功能、可靠性等方面已經(jīng)達到國際水平，在成本和服務(wù)方面則占據(jù)很大優(yōu)勢，水泥行業(yè)在中小功率的常規(guī)應(yīng)用（風(fēng)機、水泵）方面，國產(chǎn)高壓變頻器已能完全滿足用戶要求。