變頻器在自動恒壓供氣系統的應用

張喜超　孫多嬌

【摘 要】本文通過介紹變頻器在使用過程中存在的問題，提出解決對策，合理設置變頻器參數，達到最佳運行效果。應用于空壓機站恒壓供氣系統，實現供氣的連續調節，保證管網壓力穩定。

【關鍵詞】參數設置；自動調節；恒壓

1 變頻器存在的問題及其對策

自20世紀80年代通用變頻器進入中國市場以來，在短短的十幾年時間里得到了非常廣泛的應用。隨著通用變頻器應用范圍的擴大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾個方面：諧波問題、變頻器負載匹配問題、發熱問題。

1.1 諧波問題

通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成：整流部分、逆變部分和濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為三SPWM波形。

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，因此當電流流經變頻器時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生了諧波。

為了消除諧波，可采用以下對策：

1.1.1 增加變頻器供電電源內阻抗

通常情況下，電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小時，則內阻抗值相對越大。當變頻器的容量超過供電變壓器容量的十分之一時，變壓器內阻能夠很好的抑制諧波。

1.1.2 安裝電抗器

安裝電抗器實際上從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側安裝交流電抗器或在變頻器的直流側安裝直流電抗器，或同時安裝，抑制諧波電流。

1.2 發熱問題及其對策

變頻器的發熱是由內部的損耗產生的。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱，通常采用以下方法：

1.2.1 采用風扇散熱

變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行。

1.2.2 降低安裝環境溫度

由于變頻器是電子裝置，內含電子元、電解電容等，所以溫度對其壽命影響比較大。通用變頻器的環境運行溫度一般要求-10℃—50℃，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長，性能也比較穩定。

2 常用的變頻器參數

2.1 U/F線的設置

為了改善電動機低頻運行時的機械特性，各變頻器都提供了多種U/F曲線，若U/F線選擇不好發生了過補償，電機磁路將飽和，勵磁電流的波形發生畸變，其峰值有可能超過電動機允許的上限值，使電動機發熱甚至燒毀，因此準確地預置U/F線是非常重要的。

2.1.1 風機

風機屬于二次方律負載，在低轉速（頻率較低）運行時，負載的阻轉矩很小。即使不進行補償，負載轉矩也比電動機的有效轉矩小得多。

2.1.2 帶式輸送機

帶式輸送機屬于恒轉矩負載。輸送煤碳或石料的傳輸帶，在運行過程中，其負載輕重雖略有變化，但總體上說，可以認為，負載的阻轉矩是基本不變的。對于這類負載，必須考慮在低頻時也能帶動負載的問題。因此，應該選擇具有一定補償量的U∕f線。

2.2 矢量控制

實行矢量控制的基本途徑，是進行磁場之間的等效變換，而進行等效變換的前提是必須對變換前的磁場有足夠的了解。因此，變頻器必需配置了“自測定功能”，能夠自動地測定電動機的有關參數。

2.3 載波頻率的調整

載波頻率對變頻器輸出電流的影響主要有幾個方面，可根據實際需要進行調整：

（1）載波頻率越高，則電流波形的脈動越小。故適當提高載波頻率，可以改善電流波形，減小電動機的電磁噪音。

（2）載波頻率越高，則IGBT交替導通的死區的累計值越大，也就是在一個周期中不工作的時間越長。因此，載波頻率越高，變頻器的實際輸出電壓越小。

（3）載波頻率越高，因線路相互之間，以及線路與地之間分布電容的容抗越小，由高頻脈沖電壓引起的漏電流越大。

2.4 升速時間的預置

變頻器的“升速時間”，指頻率從0Hz上升到最高頻率（或基本頻率）所需要的時間。在生產機械的工作過程中，升速過程（或起動過程）屬于從一種狀態轉換到另一種狀態的過渡過程，在這段時間內，通常是不進行生產活動的。因此，從提高生產力的角度出發，升速時間應越短越好。但是，如升速時間過短，電動機的轉子可能跟不上同步轉速的上升，結果使轉差增大，導致升速電流超過變頻器上限值，從而使變頻器跳閘。所以，在不過流的前提下，“升速時間”越短越好。

2.5 降升速時間的預置

變頻器的“降速時間”，指頻率從最高頻率（或基本頻率）下降到0Hz所需要的時間。正常運行時，電動機的實際轉速總是低于同步轉速的，在頻率剛下降的瞬間，由于慣性原因，轉子的轉速沒變，但旋轉磁場的轉速卻已經下降了，電動機處于發電運行狀態。發出的電能經變頻器逆變管旁邊的反并聯二極管VD7～VD12全波整流后，反饋至直流電路，使直流電壓上升，稱為泵升電壓。如果直流電壓過高，將會損壞整流和逆變模塊。因此，當直流電壓升高到一定限值時，必須使變頻器跳閘。所以，在不過壓的前提下，“降速時間”越短越好。

3 變頻器在恒壓供氣系統的應用

3.1 恒壓供氣變頻自動控制系統的優勢

在變頻恒壓控制系統中，變頻器會根據管網瞬時用氣量的變化自動調節空壓站中空壓機的轉速和運轉臺數，使管網壓力始終保持恒定的設定壓力，從而達到了空壓機的節能降耗和提高供氣質量的目的，同時實現了控制過程的自動化，并且對空壓機進行了超壓、過載、過流、欠壓等自動報警保護。

3.2 恒壓供氣變頻自動控制系統工作原理

通常空壓站由多臺空壓機組成，每臺空壓機都由一臺電機拖動，獨立進行控制。在實際工作中，空壓站按最大工作負荷設計的，所以在用氣量少時，啟動一臺或兩臺機組，用氣量大時，啟動多臺并聯運行，在系統予設管網壓力值，系統將自動根據予設的壓力值的下限與上限進行自動的加載和卸載，用來滿足用氣量。空壓站這種控制方式，帶來許多問題，現有空壓站控制通常使用以下三種辦法來調節排氣量：

（1）將多余的壓縮空氣放空；（2）關閉電機；（3）關閉吸氣閥使電機處于空轉。

以上供氣方式使供氣量無法實現連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動，頻繁的啟動、停止容易著成設備的損壞，對電網和空壓機由相當大的沖擊。

3.3 恒壓力控制方式效果分析

變頻恒壓控制方式通過PID自動調節輸氣量與設定量的差值，使壓力恒定，系統壓力通過壓力變送器將管網壓力轉變成電信號傳送到PID單元與設定值比較，并根據差值的大小按既定控制模式進行運算，使變頻器輸出相應的轉速來控制壓縮機的電機，使實際壓力與設定壓力相等來達到恒壓目的，實現供氣的連續調節，保證管網壓力穩定。

電機起動時所消耗的能量空壓機時大轉動慣量負載，電機空載起動時所需的功率大致相當于滿載運行所消耗2～3倍，時間約為5～60S，載頻繁起動控制排氣量時，對電網沖擊大，能耗明顯，使用變頻器后，可實現平滑的軟啟動與軟停車，減少對電網沖擊，延長設備使用壽命。

[責任編輯：湯靜]