水泥企業(yè)變頻器的選擇

　　水泥企業(yè)為達(dá)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(jī)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(jī)的選擇
　　變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動機(jī)、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負(fù)載及傳動機(jī)構(gòu)。
　　在選擇電動機(jī)時不僅要考慮驅(qū)動機(jī)械負(fù)載和使其加速所需的電機(jī)容量，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境選擇相應(yīng)的電機(jī)防護(hù)等級。另外，由于這時電機(jī)不是由電網(wǎng)供電，而是由變頻器供電(即在變頻調(diào)速運(yùn)行時，大部分時間里該電動機(jī)不是工作在該電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)容量的選擇
　　(1)選擇因素
　　水泥企業(yè)電機(jī)負(fù)載均很大，加之工藝過程波動很大。在選擇電機(jī)容量時，應(yīng)考慮以下因素：
　　①電機(jī)的容量應(yīng)大于負(fù)載所需的功率。
　?、陔姍C(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于負(fù)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(jī)仍能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
　?、茈姍C(jī)應(yīng)在規(guī)定的溫升范圍內(nèi)使用。
　?、葆槍ω?fù)載的性質(zhì)，選擇適合的電機(jī)運(yùn)行方式。
　　實(shí)際上，在選擇用于變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)時，要在考慮有諧波條件下，電動機(jī)的電氣、發(fā)熱和機(jī)械出力三個方面的綜合狀況。特別在中、大型電動機(jī)中，要考慮過電壓毛刺對電動機(jī)絕緣的影響，諧波成分對電動機(jī)溫升的影響，轉(zhuǎn)速調(diào)低(低頻下)對電動機(jī)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(shí)際的電機(jī)容量可由下式求得
　　電動機(jī)的容量—驅(qū)動負(fù)載所需的動力＋加速／減速所需的動力
　　(2)驅(qū)動負(fù)載所需動力的計(jì)算
　　負(fù)載的形式多種多樣，比較典型的有恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載，下面結(jié)合水泥企業(yè)應(yīng)用舉例說明。
　　①平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載
　　a.泵類負(fù)載所需的動力功率計(jì)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(yáng)程，m；
　　p——泵的效率，p＝0.6～0.83。
　　b.風(fēng)機(jī)類負(fù)載所需的動力功率的計(jì)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(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)行選擇。
　　2.1變頻器種類的選擇
　　根據(jù)負(fù)載機(jī)械的工作特點(diǎn)，結(jié)合對調(diào)速范圍、調(diào)速精度和經(jīng)濟(jì)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(yùn)行。
　　(1)通用型變頻器
　　一般采用v／f控制方式，適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)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(jī)、搬運(yùn)系統(tǒng)、小型CNC機(jī)床、擠壓成型機(jī)、紡織及包裝機(jī)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(biāo)
　　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(diǎn)以及各種功能和指標(biāo)。用戶根據(jù)自己的實(shí)際需要，就這些產(chǎn)品的性能、指標(biāo)進(jìn)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(jī)的容量。
　　(2)電壓級別
　　根據(jù)各國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的電壓相適合。
　　(3)最大適配電機(jī)
　　在最大適配電機(jī)一欄中，通常給出最大適配電機(jī)的容量。應(yīng)該注意這個容量一般以4極普通異步電動機(jī)為對象，而同容量的6極以上電機(jī)和變極電機(jī)等電機(jī)的額定電流比4極普通異步電動機(jī)的額定電流大，因此，在驅(qū)動4極以上電機(jī)時就不能單單以此項(xiàng)指標(biāo)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(jī)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(diǎn)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
　　①.電壓型還是電流型。
　　②.PAM、PWM或SPWM調(diào)節(jié)方式。
　　③.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(jī)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。
　?、?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(jī)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(qiáng)，平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載節(jié)能特性等供用戶選擇。
　?、?載頻頻率。載頻頻率的高低標(biāo)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(dá)10～20kHz，另外還有同步調(diào)制和異步調(diào)制之分。
　?、?過載能力。變頻器所允許的過載電流以額定電流的百分?jǐn)?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。
　　⑩.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(dá)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(yùn)行控制方式。變頻器應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的有觸點(diǎn)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(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)功能。
　?、?變頻器的保護(hù)。欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、失速保護(hù)、過熱保護(hù)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(jī)的容量、電動機(jī)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(yùn)行的變頻器必須同時滿足表3－1中所列三項(xiàng)要求。

　　注：PM——負(fù)載要求的電動機(jī)輸出功率，kW；
　　——電動機(jī)的效率，通常為0.85；
　　——電動機(jī)的功率因數(shù)，通常為0.75；
　　VE——電動機(jī)額定電壓，V；
　　IE——電動機(jī)額定電流，A；
　　k——電流波形補(bǔ)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(shí)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(diǎn)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(jī)水泵專用變頻器
　　矢量控制：采用獨(dú)特的矢量運(yùn)算控制，內(nèi)藏PID。
　　學(xué)習(xí)加減速：根據(jù)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行可編程設(shè)定。
　　瞬停再啟動功能：再啟動時檢測電機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)。
　　瞬停不停控制：可在瞬間停電時繼續(xù)維持運(yùn)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(dá)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(fù)荷能力的影響小。
　　完善的保護(hù)功能：防止過流、過壓、過負(fù)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(yùn)機(jī)械，升降機(jī)械，金屬切削及加工機(jī)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(jī)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(yùn)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(jìn)并提高的性能指標(biāo)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(biāo)記對應(yīng)的產(chǎn)品，為ISO9001及ISO14001認(rèn)證產(chǎn)品。
　　輸出轉(zhuǎn)矩提高；在0.5Hz時可輸出高達(dá)2005的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速控制范圍擴(kuò)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(jī)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速由負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。
　　計(jì)算機(jī)接口：標(biāo)準(zhǔn)RS485，RS232C，Prolibus，DeviceNet，TOSLINEF10M/S20可選。
　　傳感器矢量控制：可對電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩、位置進(jìn)行高精度控制。
　　標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(fù)載時，防止負(fù)載不均衡造成變頻器過載。
　　更完善的保護(hù)：增加了輸入輸出缺相保護(hù)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(yùn)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?fù)浣Y(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(jī)常用電壓等級為6kV和10kV，另有少量3kV等級的高壓電機(jī)。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(xiàng)目和新建項(xiàng)目有不同的選擇原則。對于技改項(xiàng)目，本來電機(jī)工頻運(yùn)行，由于通常不會更換電機(jī)，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(xiàng)目，如果不需要工頻旁路，電機(jī)電壓可以配合變頻器進(jìn)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(diǎn)是能量可以回饋電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)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(bǔ)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(jī)，是個比較大的缺點(diǎn)。
　　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(jī)水泵等穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求相對較低的負(fù)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(jī)和減速過程中的過電壓跳機(jī)和其它不正常的停機(jī)現(xiàn)象，對于保證變頻器的可靠運(yùn)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?？蛇_(dá)到的技術(shù)指標(biāo)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(yùn)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(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)是成本增加，效率下降。
　　(5)輸出波形及對電機(jī)適用性
　　輸出諧波對電機(jī)的影響主要有：引起電機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)的額外升溫，電機(jī)往往要降額使用，諧波還會引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動，噪音增加。dv/dt和共模電壓會影響電機(jī)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(dá)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(jī)的絕緣。所以這種變頻器一般需要特殊設(shè)計(jì)的電機(jī)，電機(jī)絕緣必須加強(qiáng)。如果要使用普通電機(jī)，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(jī)，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(jī)上，增加繞組對地的絕緣應(yīng)力，引起絕緣擊穿，影響電機(jī)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(jī)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(jìn)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(dá)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(jī)、水泵）方面，國產(chǎn)高壓變頻器已能完全滿足用戶要求。