氧化鋁廠中變頻器的選擇及使用

李明

(貴陽鋁鎂設計研究院,貴州 貴陽 550000)

前言

解決好氧化鋁廠設備運行中存在嚴重的能源浪費問題，是增強企業競爭力的要求，更是創建資源節約型社會的國策的要求。變頻調速技術是風機、水泵等設備調速技術發展的必然方向。對設備采用變頻技術，可以降低企業的生產成本，降低生產設備的故障率，延長設備的使用壽命，產生較大的經濟效益和社會、環境效益，提高企業的綜合競爭力和發展后勁。

1 變頻器的選擇

1.1 調速對象的基本情況

1.1.1 負載力矩

在工藝上提出要調速的負荷后，首先要了解這種負荷的力矩特性，力矩特性不同選擇變頻器的種類就不一樣。電動機的機械負載轉矩特性根據下列關系式決定:

P=Tn/9550

式中:P-電動機功率，kW；T-轉矩(N.m)；n-轉速(r/min)。

圖1 轉矩、轉速與負載種類示意圖

轉矩T與轉速n的關系根據負載種類大體可分為3種(見圖1)：(1)即使速度變化轉矩也不大變化的恒轉負載，如圖1(a)所示。此類負載如傳送帶、起重機、臺車、擠壓機、壓縮機、羅茨風機等。(2)隨著轉速的降低，轉矩按轉速的平方減小的負載，如圖1(b)所示。此類負載如風機、各種液體泵等。(3)轉速越高，轉矩越小的恒功率負載，如圖1(c)所示。此類負載如扎機、機床主軸、卷取機等。

1.1.2 電機型式與參數

電機型式不一樣選擇變頻器也不一樣，大體分為鼠籠型、繞線型兩種，應用場合有高速與低速之分，聯軸器有齒輪傳動，還有防爆、制動等。另外，還要了解電機的相數、轉速、額定電壓和電流等。

1.1.3 調速參數

首先要了解調速范圍，從頻率上分0～400Hz與 50～2000Hz，凡是在 50Hz額定頻率以上調節的多半為恒功率負載。其次是了解調速精度，調節響應的快慢。

1.1.4 電源

要了解變頻器接入配電網變壓器容量以及電壓不平衡率；接入變頻器的同一電源母線上是否接有功率因數補償電容及其他整流裝置；接入變頻器的同一電源母線上是否接有其也怕干擾的電子設備。

1.2 變頻器的選擇

變頻調速技術近年在低壓風機水泵類機械中得到廣泛的應用，同時交流變頻調速技術也正朝著大容量，高電壓和高性能的方向發展。在氧化鋁行業，大量的大功率風機和泵類設備目前仍采用通過擋板、閥門等方式調整供應流量，由于擋板、閥門等方式是通過提高管道阻力來達到降低流量的目的的，應用中造成了大量的能源浪費，甚至影響企業的競爭能力。

1.2.1 變頻器分類

變頻器可分為交-直-交變頻和交-交變頻兩大類。

1.2.2 變頻器型式的選擇

(1)通用型：這類變頻器主要用于恒轉矩、恒功率負載。如國產的JP6C-T9型，日本產的FRENIC500G9S型。(2)節能型：這類變頻器主要用于風機泵等平方減負載。如國產的JP6C-J9型，日本產的FRENIC500P9S型。其起動轉矩只有50%以上，制動轉矩20%以上，專用于風機、泵節能。(3)專用型：這類變頻器主要用于電梯、軸承磨床等特殊負載。

1.2.3 變頻器控制方式選擇

根據控制對象要求的調速范圍，調速精度，響應速度來選擇變頻器的控制方式。變頻器的控制方式目前大致有4種：(1)最基本的V/f常數控制方式。這種方式是開環控制，維持磁通為常數，用正弦波脈寬調制SP2WM控制，可用于平方減轉矩負載，或恒轉矩負載，低速范圍要采取補償，調速范圍窄，調速精度不高，響應慢。(2)轉差頻率控制。轉差頻率控制是檢出電動機的轉速相對應的頻率與轉差頻率的和來給定變頻器的輸出，能控制與轉差率有直接關系的轉矩、電流。這種控制比V/f控制的調速范圍寬一些，精度高一些，響應快一點，但易受干擾，穩定性較低。(3)矢量控制。這種控制比前兩種控制完善的多，調速范圍寬，低速范圍起動力矩高，精度高達0.01%，響應很快，高精度調速都采用矢量控制變頻器SVPWM。(4)轉矩矢量控制。這種控制方式是目前國際上最先進的控制方式，它不同于前3種，前3種是模擬直流電動機的參數，進行保角變換而進行調節控制的，轉矩矢量控制是直接取交流電動機參數進行控制，控制簡單，精確度要求處理速度非常快，處理器DSP及很多硬件都是高速器件，價格較貴，目前國外一些公司有此產品，但未能推廣。

1.2.4 變頻器參數選擇

根據電動機的電壓、電流、功率選擇變頻器的參數。

(1)電流。電動機的額定電流是指正弦50Hz電源的電流，而變頻器標定的額定電流輸出是指鋸齒正弦包絡線的電流，而且這個電流是按4極電動機計算的，因此在電流選擇時必須考慮I變=1.1I電，對于多極電動機必須檢驗變頻器的電流是否足夠。

(2)電壓。有單相220V，三相380V等的變頻器，也有高壓6kV/10kV變頻器，這要根據電動機的電壓而定。

(3)現在變頻器表示的容量，是指適配電動機容量，但要根據負載的性質而定，最好采用大一級的容量。

1.2.5 選擇變頻器用的逆變元件

變頻器最關鍵的逆變元件與變頻器的性能密切相關。現在市面上國外生產的變頻器逆變元件有以下幾種：

(1)逆變元件為電力晶體管的GTR。這種逆變元件是電流驅動、發熱量大、體積大、噪音大、調制頻率低，但價格較便宜，是淘汰產品，但在市面上流行。

(2)絕緣柵極雙極晶體管IGBT。這種逆變元件為電壓驅動、發熱小、體積小、調制頻率高，噪音低，是較為理想的產品，也是目前較為先進的商品。

(3)逆變元件智能功率模塊IPM。這種逆變元件在TGBT的芯片上把驅動電路和保護電路集成在一個芯片上的智能化功率模塊 (IPM)，可靠性高、體積很小、噪音低、是世界最先進產品，但目前功率只做到55kW。

2 存在問題

無論哪種型式的變頻器所提供的變頻電源，都有大量的高次諧波，使電機處于非正弦波和非工頻下運行，而以往的電機又是按正弦波、工頻電源設計的，因此在變頻器電機系統中運行的電機便出現了許多問題。

2.1 損耗增加、效率降低。定子電流中迭加的高次諧波使定子銅損增加，而轉子導條尺寸較大，轉子中的高頻電流所引起的集膚效應可使轉子電阻的損耗增加許多倍，增加了轉子銅損。與此相應，電機的效率也有所降低，輸出功率有所減少。據1臺110kW，4極電機溫升實驗表明，在溫升相同時，逆變的供電輸出功率為一般電機的87%。

2.2 轉矩脈沖、振動、噪聲增加。電機齒槽引起的空間高次諧波和變頻器波形畸變產生的時間高次諧波相互迭加，使電機氣隙中的磁通含有各種高次諧波，這些諧波將使電機的輸出轉矩脈動的影響更為明顯，致使電機轉速不均而有步進感。當電機的某些部分由于高次諧波轉矩的激發而發生局部共振時，將導致電機振動、噪聲增加。

2.3 電機溫升高。一般電機的冷卻都是通過與轉子同軸的風扇實現的。而變頻調速的電機在低速運轉時，冷卻效果降低，致使電機溫升明顯偏高，甚至會超過F級絕緣的允許溫升。

2.4 電機過電壓。逆變器換流時可產生沖擊尖峰電壓，這將引起電機繞組的過電壓。

3 結語

如何解決設備運行中存在的嚴重能源浪費，不但是增強企業競爭力的要求，更是創建資源節約型社會的要求。變頻調速技術是風機、水泵等設備調速技術的首選，也是該類技術發展的必然方向。隨著技術的發展，變頻器的性能愈加穩定，變頻器在氧化鋁生行業的應用也愈加廣泛，節能的效果更加明顯。對國家實行的節能降耗政策有著推進和促進作用。

[1]楊世勇.變頻器在氧化鋁廠中的應用[J].自動化與儀器儀表，2009-07-25.