作者:张卫民 刘清柏单位:天津水泥工业设计研究院 

 

摘要:变频技术是为满足交流电机的无级调速而问世的。经历近半个世纪的研究，变频技术从晶闸管(SCR)时期发展到今天的大功率晶体管(IGBT,IGCT)和耐高压大功率晶体管(HVIGBT) 时期，控制技术也发展到今天的矢量控制和直接转矩控制且已全数字化，其机械特性硬度能满足具有一定硬性负载的调速要求，并有很好的运行特性，并可作为现场级与监控级联系在一起，应用更灵活，通讯更自由，对供电系统也可实现无干扰，应用范围几乎涉及到整个工业领域，也在水泥工业得到较广泛的应用。
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　　一．变频器的选用 

　　在水泥工厂的设计中，如风机、水泵、篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等都已采用变频调速，已收到良好的经济效益。但在使用过程中出现变频器的功率与电机的功率不匹配或变频器的负载特性与实际负载特性不匹配的情况。变频器选大了造成浪费，选小了驱动不了设备。因此变频器选型是关键。变频器分恒功率型和恒转矩型，对一般容量且无过载要求选用恒功率型。对于工艺有过载要求的必须选用恒转矩型。 

      电机选择：一般情况下，应该适当选择电机的额定转速，以使得电机在运行速度范围内，输出的负载容量尽可能地高。 
　　一般电机功率与转矩之间的关系为:      P=n*T/9550 
　　P-为电机的功率(kW) 
　　n-为电机的转速(rpm) 
　　T-为转矩(Nm) 

　　例题1：需要恒转矩为20Nm,起动转矩为30Nm,电压为380V, nmax=1900rpm，nmin=600rpm,如何选用电机和变频器。 
　　第一步：从已知条件得出其起动转矩不是很高，无短时过载容量要求，可按一般容量选择变频器。 

　　第二步：选择电机 
　　电机为四极电机,频率50Hz,电机的额定转速为1500rpm 
　　1. 连续负载转矩为20Nm对应的电机功率应为:P=1900*20/9550=4.0KW 
　　2.求临界点上的电机转矩 
　　2.1起动时电机过载倍数为30/20=1.5 
　　　负载容量极限曲线参考图1中的曲线3，计算需要的电机转矩为: 
　　　30/1.5=20Nm 
　　2.2 转速为1900rpm时，连续负载容量极限参考图1中的曲线1取80%，此时需要的电机转矩为: 
　　　20/0.8=25Nm 
　　2.3 转速为600rpm时，连续负载容量极限参考图1中的曲线1取89%，此时需要的电机转矩为: 
　　　20/0.89=22.5Nm 
　　电机需要的最大转矩为25Nm，要求电机的功率为: 
　　　P=1500*25/9550=3.9KW 
　　工艺设计应选择功率为4.0KW的电机就满足要求，电流约为9A。 
　　变频器的选择：电气应选择功率为5.5kW的变频器就满足要求。 

　　例题2：电机需要恒转矩为20Nm,起动转矩为70Nm,电压为380V, nmax=1900rpm，nmin=600rpm 
　　第一步：从已知条件得出其起动转矩很高，无短时过载容量要求，应按重载运用选择变频器。 

　　第二步：选择电机 
　　电机为四极电机,频率50Hz,电机的额定转速为1500rpm 
　　1.与连续负载转矩为20Nm对应的电机功率应为:P=1900*20/9550=4.0KW 
　　2．求临界点上的电机转矩 
　　2.1起动时电机过载倍数为70/20=3.5 
　　　负载容量极限曲线参考图1中的曲线4，负载容量限制200%，计算需要的电机转矩为: 
　　　70/2=35Nm 
　　2.2 转速为1900rpm时，连续负载容量极限参考图1中的曲线1取80%，此时需要的电机转矩为: 
　　　20/0.8=25Nm 
　　2.3 转速为600rpm时，连续负载容量极限参考图1中的曲线1取89%，此时需要的电机转矩为: 
　　　20/0.89=22.5Nm 
　　电机需要的最大转矩为35Nm，要求电机的功率为: 
　　　P=1500*35/9550=5.5KW 
　　工艺设计选择5.5KW的电机。 

　　变频器的选择：电气应选择功率为7.5kW的变频器就满足要求。 

　　水泥生产使用的原料本身的比重大，加在输送设备上的重量也大，如板喂机，输送皮带等的调速变频器必须选用同功率的恒转矩变频器。 

　　目前板式喂料机由于各种原因经常运行在低频率状况，在磁点范围内变频器输出的电压不能增加，其负载容量减少，电机发热。这就要求电机一定要选用专用的变频电机。由于一般的交流电机其冷却风机的速度与电机同步，电机的频率低，其速度也低, 冷却风机的速度也低，电机因得不到良好的通风冷却，而被烧毁，这就要求电机一定要选用专用的变频电机。 

　　二．调试中应注意的问题 

　　变频器的调试，首先必须确认变频器的输入电源的相数和额定电压，是否将变频器的输入和输出搞反，其输出端不能接交流电源。以上两点都容易损坏变频器。其次，上电之后应根据电机的名牌参数修改变频器相应的菜单参数，如电机的额定功率、频率、电压及电流等参数。关键是修改转矩提升方式和加/减速时间值，加速过快或减速过快，电动机的再生电流就会增加，使主回路上的直流电压达到过电压的检测值，保护动作或调速失控，严重情况会损坏设备。一般地电机功率越大，加/减速时间应相应地增加。如石家庄鹿泉水泥厂（2500t/d）生料磨选粉机电机功率为185Kw，变频器选用富士变频器控制器。调试过程中变频器加/减速时间设置为100s时，中控一给速度变频器就检测到过电压而跳闸。加/减速时间设置为100s时，转速只能提到450rpm左右。最后将加/减速时间设置为300s才满足要求。 

　　三．设计中应注意的问题 

　　1．变频器是一种重要的节能电气设备，应加大推广力度。设计中应尽量多地使用变频装置去调电机的转速，从而达到对风量和流量控制的目的。目前水泥工厂对风量和流量的控制还使用调节阀门进行控制，电能浪费大，调节精度差。阀门易损坏，影响生产。如采用变频器去控制电机的转速达到控制风量和流量的目的，消除了阀门阻力，降低了负荷电流，不但节约了电能，还对电机可以实现软起动，对电机和电网不会产生大的冲击电流，延缓了电机的使用寿命。一些水泥厂已对篦冷机风机进行了电气改造，一次性投资虽有所增加，但其节约的电能当年就能收回投资。  

　　2．变频器也是水泥厂最主要的谐波污染源，其硬件电流和电压的急剧变化使电力电子器件承受大的电应力，并给其它的电气设备造成严重的电磁干扰。如生料粉磨车间选粉机起动后，一些模拟信号就不正常，甚至一些电控设备的控制板也被烧坏。 

　　设计时，变频器输入側必须加电抗器，衰减供电回路中的谐波成分，改善进线电流波形，对保护整流二极管和减少变频器的电磁辐射都很关键。 

　　对变频电机应采用专用变频电缆且电缆两端都应接地。敷设时变频电缆不能与其它电缆长距离平行走线，最好与其它线成垂直角度，且长度应尽可能地短，以减少电磁辐射和容性电流及变频器输出电压的快速变化产生的电磁干扰。另外，随着现场总线技术在变频器中的运用，其数字信号和模拟信号通过总线直接与上位机以从/主关系进行通讯，变频柜内的接线简化也节约了设备成套成本，安装接线也特别简单。设计时，还可以将变频器以墙挂箱的形式安装于现场，这就大大缩短了变频器与电机之间的距离，节约了电缆，还减少了对周围其它电气设备的干扰。 

　　总之，目前变频器的种类很多，但控制原理基本相同，均为交流-直流-交流方式，其缺点是输入的功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，且不能进行四象限运行。科学家们正在试验交流-交流变频，省去了中间的直流环节，功率因数提高, 并能进行四象限运行。目前该技术尚未成熟，但代表着变频器的发展方向，一旦有所突破，变频器在水泥厂的运用会更加广泛。