對變頻調速技術問題的探討

變頻調速技術在水泥行業(yè)中的應用越來越普及，因此在電機學原理的基礎上，并結合多年來的實踐應用，對變頻調速技術加以認真的分析和總結是有意義的。  

1　變頻調速后異步電動機機械特性 

變頻調速原理基于n=(60f1/p)(1-s)，即改變定子供電頻率f1，可改變電機的同步轉速n。為保持在調速時電機的最大轉矩Mm不變，要求定子供電電壓作相應調節(jié)，以維持磁通恒定。根據定子電壓U1和定子供電頻率f1的不同比例關系，有不同的變頻調速方式。圖1為變頻調速時異步電機機械特性，其中Δn表示負載變化時的轉速偏差。 
　　
1)保持U1/f1=常數的比例控制方式。該方式下，只要U1和f1成比例地改變，就可維持恒磁通，從而實現變頻調速。但低頻時，由于定子阻抗相對定子漏抗不能忽略，最大轉矩Mm隨頻率降低而減少，起動轉矩也將減小，圖1中的曲線4和5為低頻時理想曲線，1和2為實際曲線。  
　　
2)保持最大轉矩Mm為常數的恒磁通控制方式。該方式下，為使Mm不變，須隨f1的降低適當提高U1。 
　　
3)保持恒功率的控制方式。在f1>f1e(定子工頻)時，若仍維持U1/f1=常數，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，定子電壓不再升高，而保持U1=U1e，此時可近似視為恒功率調速。如圖1曲線6為f1>f1e時理想曲線，3為實際曲線。 
　　 




　　圖1　異步電動機變頻調速時機械特性 


2　對幾個指標的探討 

　　 
2.1　關于轉矩的問題 
　　

1)當在額定頻率f1e以下時，如圖1中的機械特性曲線7、8、9中的互相“平行”部分調速范圍很寬，可以適應不同大小的負載。 
　　

2)當所調頻率過小，如圖1中f1≤f1e時的機械特性曲線1和2。此時電動機的負載能力實際變小了，只能滿足小負載轉矩如M3等。而不能滿足稍大一些的負載轉矩如M1、M2等，這類需要設備低速乃至超低速運行的情況，在水泥行業(yè)中經常遇到，如包裝機包裝完畢需清倉卸灰時，需低速運行；又如回轉窯在使用變頻器調速時若省略慢轉電機，則在翻窯等特殊情況下，需超低速運行，若此時由于負載過大電機滿足不了要求，則應需對變頻器轉矩提升功能進行設定，以滿足生產對負載的需求。 
　　

3)當所調頻率f1高于f1e時，電機實際的機械特性變差，負載能力降低了，如圖1中曲線6中實曲線部分3。此時，變頻器由恒轉矩工作狀態(tài)變?yōu)楹愎β使ぷ鳡顟B(tài)，如圖2所示。 
　　 




　　圖2　恒轉矩和恒功率調速時機械特性 

　　這時隨著頻率(轉速)的升高，轉矩M逐漸下降。但在實際應用中將轉速調到額定頻率以上的情況很少遇到，有時也不允許。 
2.2　關于速度問題 
　

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

2.3　關于節(jié)能問題 
　

　由電機功率P=轉矩M×轉速n，在負載轉矩變化不大時，即M趨于恒定時P正比于n，如水泥廠中風機類負載，在低速起動時可節(jié)能，又如水泥窯及選粉機等的主電機在工頻50Hz以下調速時均可節(jié)能，但前提是須滿足生產對負載轉矩的需要。 

3　變頻器諸多通用功能應用說明 

　　 
3.1　對幾個重要參數設置的說明 
　　

我廠大量使用的日本東洋電機的VF61變頻器和ABB公司的SAMIGS變頻器都具有多種參數設定功能。經過多年的摸索總結，對幾個重要參數的設置說明如下。 

3.1.1　關于額定參數的設置 
　　

在使用變頻器之前，必須將實際電機的銘牌數據如額定電流、額定電壓、額定頻率等輸入到變頻器內，即需重新設定。因為變頻器有多種保護功能，以使電機能正常工作在允許的范圍之內，起到應有的保護作用。 
3.1.2　關于頻率設定方式的問題 
　　

可由控制盤、端子臺、微機聯網三種方式設定頻率，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變頻器用控制盤時選擇DIR模式，用端子臺操作時選擇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。當用控制盤操作時，在控制盤上設定一個頻率，電機就以一個固定頻率旋轉，若想改變轉速需再重新設定一個頻率。 

3.1.3　關于頻率設定的問題 
　　

1)對最高頻率的設定:因為在用外部模擬信號如0～10V電壓設定工作頻率時，10V電壓所對應的頻率就是最高頻率，可以達到400Hz，所以對最高頻率必須重新設定，否則將產生嚴重故障。通常對最高頻率的初始值設定為工頻50Hz，即在外部最大給定10V時，變頻器最大只能輸出50Hz，保證電機在工頻以下安全運行。 
　　

2)對頻率上下限的設定:對轉速(頻率)有限定要求時，需重新設定。如我廠4號包裝機主電機采用VF61變頻調速已實現了以速度定產量，即在變頻器輸出23Hz(相當于500r/min)時包裝水泥袋產量為80t/h，如果高于這個速度對主機設備不利。經與車間研究限定速度為23Hz(500r/min)，即在VF61變頻器擴展設定項目1中的17號代碼頻率限界(上限)進行設定，用相對于最高頻率如(50Hz)百分數設定進去，即23/50=46%設定后，在外部(電壓)給定下變頻器只能以23Hz(500r/min)下運轉。 

3.1.4　其它參數的設定 
　　

1)U/F特性曲線的設定:如恒轉矩負載，即使速度變化轉矩也恒定的，如運輸機械類，U/F曲線應設定為恒定特性。若變轉矩負載，如泵、通風機等負載，U/F應設定成平方律遞減特性(轉矩以速度的平方變化的負載)。 
　　

2)轉矩提升量設定:在低頻區(qū)域，可根據負載調整轉矩提升量，如水泥廠回轉窯在采用變頻調速后，可以通過變頻器在低速下運行時省略回轉窯慢轉輔助電機。但須注意一個問題，即變頻器在低頻區(qū)工作時轉矩會下降，有可能滿足不了負載的需要，為此需進行轉矩提升量的設定。 
　　

轉矩提升量=(0Hz時輸出電壓/額定輸出電壓)×100% 
　　

如VF61的設定范圍為0～20%。 
　　

3)其它許多參數和功能可根據工藝設備要求而重新設定，如可在起動或停止時進行加減速時間設定。停止方式有減速停止和自由停止兩種，如旋轉包裝機停車時需要立即停止，就應設定停止方式為自由停止方式。 

3.2　可實現多種自動控制功能 
　　

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

4　對幾個重要故障現象分析 

　　 
4.1　關于飛車事故 
　

　我廠輥壓機和制成車間的定量給料裝置采用了電子皮帶秤和轉子秤，采用變頻調速的異步電機就出現過飛車現象。究其原因是計量控制器根據料量(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工作。出現飛車現象，說明控制器的輸出信號0～10V或4～20A產生了失真即放大了。產生失真的原因一個是控制器內部芯片元件出現故障，另一個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，二是修復或更換控制器內部的芯片或元件。 

4.2　速度調不上去的問題 
　

　我廠5號水泥磨用的蓋特選粉機，離心主軸電機采用變頻調速22kW、4極電機。在投入變頻調速后，速度調到一定值如700r/min時，就因過流跳閘而調不上去。按工藝設計18.5kW電機就已夠用，而反復查驗變頻器并無問題。若將4極電機換成同功率的6極電機，轉矩會提高一些，但需重新購置并安裝電機和減速機，困難轉大，又影響生產。所以應從電氣上提高電機轉矩上著手。經對VF61變頻器轉矩提升量和加減速時間等重新設定操作后均無效果，最后通過對其最低頻率設定獲得成功。 
　　

該變頻器未經調整初始值為0.5Hz，必須進行重新設定。當設定為1Hz時，電機起動有力，順利達到平穩(wěn)運行狀態(tài)，亦可調到所需要的任何速度，如果起動頻率設置的合適，可使起動轉矩達到額定轉矩的100%～200%，以滿足負載需要。 

5　結語 

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。 
　　

變頻調速器有安裝操作方便，調整起動平滑等諸多優(yōu)點，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上的需要，必須根據諸如電機銘牌數值的保護問題、電機在低頻區(qū)或在起動中如何提升轉矩的問題、速度高低的限定問題等等，結合生產上的需要而重新進行設定和調整。變頻器的最大優(yōu)勢在于調速方便，而對于節(jié)能，前提是必須滿足生產上對于負載的需要。