對變頻調(diào)速技術(shù)問題的探討

變頻調(diào)速技術(shù)在水泥行業(yè)中的應(yīng)用越來越普及，因此在電機(jī)學(xué)原理的基礎(chǔ)上，并結(jié)合多年來的實(shí)踐應(yīng)用，對變頻調(diào)速技術(shù)加以認(rèn)真的分析和總結(jié)是有意義的。  

1　變頻調(diào)速后異步電動機(jī)機(jī)械特性 

變頻調(diào)速原理基于n=(60f1/p)(1-s)，即改變定子供電頻率f1，可改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n。為保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Mm不變，要求定子供電電壓作相應(yīng)調(diào)節(jié)，以維持磁通恒定。根據(jù)定子電壓U1和定子供電頻率f1的不同比例關(guān)系，有不同的變頻調(diào)速方式。圖1為變頻調(diào)速時(shí)異步電機(jī)機(jī)械特性，其中Δn表示負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差。 
　　
1)保持U1/f1=常數(shù)的比例控制方式。該方式下，只要U1和f1成比例地改變，就可維持恒磁通，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。但低頻時(shí)，由于定子阻抗相對定子漏抗不能忽略，最大轉(zhuǎn)矩Mm隨頻率降低而減少，起動轉(zhuǎn)矩也將減小，圖1中的曲線4和5為低頻時(shí)理想曲線，1和2為實(shí)際曲線。  
　　
2)保持最大轉(zhuǎn)矩Mm為常數(shù)的恒磁通控制方式。該方式下，為使Mm不變，須隨f1的降低適當(dāng)提高U1。 
　　
3)保持恒功率的控制方式。在f1>f1e(定子工頻)時(shí)，若仍維持U1/f1=常數(shù)，勢必使U1超過定子額定電壓U1e，這是不允許的。因此在f1>f1e時(shí)，定子電壓不再升高，而保持U1=U1e，此時(shí)可近似視為恒功率調(diào)速。如圖1曲線6為f1>f1e時(shí)理想曲線，3為實(shí)際曲線。 
　　 




　　圖1　異步電動機(jī)變頻調(diào)速時(shí)機(jī)械特性 


2　對幾個(gè)指標(biāo)的探討 

　　 
2.1　關(guān)于轉(zhuǎn)矩的問題 
　　

1)當(dāng)在額定頻率f1e以下時(shí)，如圖1中的機(jī)械特性曲線7、8、9中的互相“平行”部分調(diào)速范圍很寬，可以適應(yīng)不同大小的負(fù)載。 
　　

2)當(dāng)所調(diào)頻率過小，如圖1中f1≤f1e時(shí)的機(jī)械特性曲線1和2。此時(shí)電動機(jī)的負(fù)載能力實(shí)際變小了，只能滿足小負(fù)載轉(zhuǎn)矩如M3等。而不能滿足稍大一些的負(fù)載轉(zhuǎn)矩如M1、M2等，這類需要設(shè)備低速乃至超低速運(yùn)行的情況，在水泥行業(yè)中經(jīng)常遇到，如包裝機(jī)包裝完畢需清倉卸灰時(shí)，需低速運(yùn)行；又如回轉(zhuǎn)窯在使用變頻器調(diào)速時(shí)若省略慢轉(zhuǎn)電機(jī)，則在翻窯等特殊情況下，需超低速運(yùn)行，若此時(shí)由于負(fù)載過大電機(jī)滿足不了要求，則應(yīng)需對變頻器轉(zhuǎn)矩提升功能進(jìn)行設(shè)定，以滿足生產(chǎn)對負(fù)載的需求。 
　　

3)當(dāng)所調(diào)頻率f1高于f1e時(shí)，電機(jī)實(shí)際的機(jī)械特性變差，負(fù)載能力降低了，如圖1中曲線6中實(shí)曲線部分3。此時(shí)，變頻器由恒轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)變?yōu)楹愎β使ぷ鳡顟B(tài)，如圖2所示。 
　　 




　　圖2　恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速時(shí)機(jī)械特性 

　　這時(shí)隨著頻率(轉(zhuǎn)速)的升高，轉(zhuǎn)矩M逐漸下降。但在實(shí)際應(yīng)用中將轉(zhuǎn)速調(diào)到額定頻率以上的情況很少遇到，有時(shí)也不允許。 
2.2　關(guān)于速度問題 
　

　即使變頻器輸出的是同一頻率，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化(不同)使得電機(jī)設(shè)備的實(shí)際轉(zhuǎn)速存在偏差，如圖1中M2與M1和M3之間存在著轉(zhuǎn)速偏差Δn，而且負(fù)載變化越大，Δn越大，水泥行業(yè)中也存在這種情況，如我廠旋轉(zhuǎn)式包裝機(jī)在用變頻調(diào)速時(shí)，是按速度定產(chǎn)量，如變頻器輸出23Hz時(shí)對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速約500r/min，相應(yīng)產(chǎn)量是80t/h，但如果旋轉(zhuǎn)料倉的料量不同即負(fù)載不同，則實(shí)際轉(zhuǎn)速是會有偏差的，以此定產(chǎn)的80t/h也只能是估算。若要求嚴(yán)格，可將電機(jī)由開環(huán)控制改為滑差補(bǔ)償控制或進(jìn)行速度反饋等閉環(huán)控制。使得即使負(fù)載變化，電動機(jī)仍然保持速度指令下對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。以上控制則需要進(jìn)行控制功能設(shè)定或加選件(印刷電路板)。當(dāng)需要設(shè)定頻率與輸出轉(zhuǎn)速絕對一一對應(yīng)時(shí)則應(yīng)將電機(jī)改為同步電機(jī)，電機(jī)實(shí)際速度即為n=60f/p，不必設(shè)置速度反饋控制，只要精確地控制電源的頻率就能精確地控制轉(zhuǎn)速。 

2.3　關(guān)于節(jié)能問題 
　

　由電機(jī)功率P=轉(zhuǎn)矩M×轉(zhuǎn)速n，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化不大時(shí)，即M趨于恒定時(shí)P正比于n，如水泥廠中風(fēng)機(jī)類負(fù)載，在低速起動時(shí)可節(jié)能，又如水泥窯及選粉機(jī)等的主電機(jī)在工頻50Hz以下調(diào)速時(shí)均可節(jié)能，但前提是須滿足生產(chǎn)對負(fù)載轉(zhuǎn)矩的需要。 

3　變頻器諸多通用功能應(yīng)用說明 

　　 
3.1　對幾個(gè)重要參數(shù)設(shè)置的說明 
　　

我廠大量使用的日本東洋電機(jī)的VF61變頻器和ABB公司的SAMIGS變頻器都具有多種參數(shù)設(shè)定功能。經(jīng)過多年的摸索總結(jié)，對幾個(gè)重要參數(shù)的設(shè)置說明如下。 

3.1.1　關(guān)于額定參數(shù)的設(shè)置 
　　

在使用變頻器之前，必須將實(shí)際電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)如額定電流、額定電壓、額定頻率等輸入到變頻器內(nèi)，即需重新設(shè)定。因?yàn)樽冾l器有多種保護(hù)功能，以使電機(jī)能正常工作在允許的范圍之內(nèi)，起到應(yīng)有的保護(hù)作用。 
3.1.2　關(guān)于頻率設(shè)定方式的問題 
　　

可由控制盤、端子臺、微機(jī)聯(lián)網(wǎng)三種方式設(shè)定頻率，通常我們只用控制盤和端子臺兩種方式。但兩種方式也要有所選擇，如VF61變頻器用控制盤時(shí)選擇DIR模式，用端子臺操作時(shí)選擇REM模式，否則在DIR模式下端子臺不能操作，在REM模式下控制盤不能操作。當(dāng)用控制盤操作時(shí)，在控制盤上設(shè)定一個(gè)頻率，電機(jī)就以一個(gè)固定頻率旋轉(zhuǎn)，若想改變轉(zhuǎn)速需再重新設(shè)定一個(gè)頻率。 

3.1.3　關(guān)于頻率設(shè)定的問題 
　　

1)對最高頻率的設(shè)定:因?yàn)樵谟猛獠磕M信號如0～10V電壓設(shè)定工作頻率時(shí)，10V電壓所對應(yīng)的頻率就是最高頻率，可以達(dá)到400Hz，所以對最高頻率必須重新設(shè)定，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重故障。通常對最高頻率的初始值設(shè)定為工頻50Hz，即在外部最大給定10V時(shí)，變頻器最大只能輸出50Hz，保證電機(jī)在工頻以下安全運(yùn)行。 
　　

2)對頻率上下限的設(shè)定:對轉(zhuǎn)速(頻率)有限定要求時(shí)，需重新設(shè)定。如我廠4號包裝機(jī)主電機(jī)采用VF61變頻調(diào)速已實(shí)現(xiàn)了以速度定產(chǎn)量，即在變頻器輸出23Hz(相當(dāng)于500r/min)時(shí)包裝水泥袋產(chǎn)量為80t/h，如果高于這個(gè)速度對主機(jī)設(shè)備不利。經(jīng)與車間研究限定速度為23Hz(500r/min)，即在VF61變頻器擴(kuò)展設(shè)定項(xiàng)目1中的17號代碼頻率限界(上限)進(jìn)行設(shè)定，用相對于最高頻率如(50Hz)百分?jǐn)?shù)設(shè)定進(jìn)去，即23/50=46%設(shè)定后，在外部(電壓)給定下變頻器只能以23Hz(500r/min)下運(yùn)轉(zhuǎn)。 

3.1.4　其它參數(shù)的設(shè)定 
　　

1)U/F特性曲線的設(shè)定:如恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即使速度變化轉(zhuǎn)矩也恒定的，如運(yùn)輸機(jī)械類，U/F曲線應(yīng)設(shè)定為恒定特性。若變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如泵、通風(fēng)機(jī)等負(fù)載，U/F應(yīng)設(shè)定成平方律遞減特性(轉(zhuǎn)矩以速度的平方變化的負(fù)載)。 
　　

2)轉(zhuǎn)矩提升量設(shè)定:在低頻區(qū)域，可根據(jù)負(fù)載調(diào)整轉(zhuǎn)矩提升量，如水泥廠回轉(zhuǎn)窯在采用變頻調(diào)速后，可以通過變頻器在低速下運(yùn)行時(shí)省略回轉(zhuǎn)窯慢轉(zhuǎn)輔助電機(jī)。但須注意一個(gè)問題，即變頻器在低頻區(qū)工作時(shí)轉(zhuǎn)矩會下降，有可能滿足不了負(fù)載的需要，為此需進(jìn)行轉(zhuǎn)矩提升量的設(shè)定。 
　　

轉(zhuǎn)矩提升量=(0Hz時(shí)輸出電壓/額定輸出電壓)×100% 
　　

如VF61的設(shè)定范圍為0～20%。 
　　

3)其它許多參數(shù)和功能可根據(jù)工藝設(shè)備要求而重新設(shè)定，如可在起動或停止時(shí)進(jìn)行加減速時(shí)間設(shè)定。停止方式有減速停止和自由停止兩種，如旋轉(zhuǎn)包裝機(jī)停車時(shí)需要立即停止，就應(yīng)設(shè)定停止方式為自由停止方式。 

3.2　可實(shí)現(xiàn)多種自動控制功能 
　　

變頻器可與計(jì)算機(jī)或控制器等配合使用，實(shí)現(xiàn)多種自動控制功能。又可與自動化儀表配合使用，實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、速度、位移等物理量自動跟蹤、定理監(jiān)控等。 

4　對幾個(gè)重要故障現(xiàn)象分析 

　　 
4.1　關(guān)于飛車事故 
　

　我廠輥壓機(jī)和制成車間的定量給料裝置采用了電子皮帶秤和轉(zhuǎn)子秤，采用變頻調(diào)速的異步電機(jī)就出現(xiàn)過飛車現(xiàn)象。究其原因是計(jì)量控制器根據(jù)料量(料重)的大小和速度的多少，輸出控制信號0～10V或4～20mA到變頻器的頻率給定接口，使變頻器在一定的頻率范圍內(nèi)工作。出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，說明控制器的輸出信號0～10V或4～20A產(chǎn)生了失真即放大了。產(chǎn)生失真的原因一個(gè)是控制器內(nèi)部芯片元件出現(xiàn)故障，另一個(gè)原因是控制器輸出的信號線與有源高磁場線相混，再加上屏蔽效果不好，而產(chǎn)生了干擾造成的。對此類故障，一是采用好的屏蔽線，并與有源線保持一定距離，二是修復(fù)或更換控制器內(nèi)部的芯片或元件。 

4.2　速度調(diào)不上去的問題 
　

　我廠5號水泥磨用的蓋特選粉機(jī)，離心主軸電機(jī)采用變頻調(diào)速22kW、4極電機(jī)。在投入變頻調(diào)速后，速度調(diào)到一定值如700r/min時(shí)，就因過流跳閘而調(diào)不上去。按工藝設(shè)計(jì)18.5kW電機(jī)就已夠用，而反復(fù)查驗(yàn)變頻器并無問題。若將4極電機(jī)換成同功率的6極電機(jī)，轉(zhuǎn)矩會提高一些，但需重新購置并安裝電機(jī)和減速機(jī)，困難轉(zhuǎn)大，又影響生產(chǎn)。所以應(yīng)從電氣上提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩上著手。經(jīng)對VF61變頻器轉(zhuǎn)矩提升量和加減速時(shí)間等重新設(shè)定操作后均無效果，最后通過對其最低頻率設(shè)定獲得成功。 
　　

該變頻器未經(jīng)調(diào)整初始值為0.5Hz，必須進(jìn)行重新設(shè)定。當(dāng)設(shè)定為1Hz時(shí)，電機(jī)起動有力，順利達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，亦可調(diào)到所需要的任何速度，如果起動頻率設(shè)置的合適，可使起動轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的100%～200%，以滿足負(fù)載需要。 

5　結(jié)語 

雖然變頻器的品牌不同，其具體操作、功能會有所差異，但其基本功能和基本原理是一致的。 
　　

變頻調(diào)速器有安裝操作方便，調(diào)整起動平滑等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是，綜合以上的分析和探討，我們知道，并非新安上一臺變頻器就能夠滿足生產(chǎn)上的需要，必須根據(jù)諸如電機(jī)銘牌數(shù)值的保護(hù)問題、電機(jī)在低頻區(qū)或在起動中如何提升轉(zhuǎn)矩的問題、速度高低的限定問題等等，結(jié)合生產(chǎn)上的需要而重新進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。變頻器的最大優(yōu)勢在于調(diào)速方便，而對于節(jié)能，前提是必須滿足生產(chǎn)上對于負(fù)載的需要。