化工企業中變頻器的使用

季健

（江蘇國恒安全評價咨詢服務有限公司，南京210017）

化工企業中變頻器的使用

季健

（江蘇國恒安全評價咨詢服務有限公司，南京210017）

根據變頻器的原理作用及日常維護管理中的經驗教訓，論述化工企業中變頻器的選用，提出合理使用變頻器的觀點。根據對變頻器運行常見問題的分析，以散熱問題為重點，指出變頻器選用及維護管理中存在的風險及應對措施。

化工；變頻器；選型；散熱

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.128

1 引言

變頻器作為調壓調頻電源的電力變換設備，使異步電動機具有良好的調速性能。根據具體情況，針對風機、水泵等設備合理的配備變頻器也有很好的節能降耗效果。化工裝置一般存在大量的風機、水泵和需要調速的旋轉設備，因此變頻器的使用比較廣泛。但隨之而來的故障率提高，電源質量下降等問題也引起了人們的關注。由于化工企業自身環境影響，變頻器的運行維護變得十分重要。本文對化工企業如何合理選用變頻器展開論述，引用實際工作中的案例，說明變頻器合理使用及維護的重要性。

2 變頻器的工作原理、結構及節能原理

2.1 變頻器的工作原理、結構及各部分作用

變頻器變頻是利用帶通斷作用的半導體元件將設備的運行頻率由固定頻率變為可調節的另一頻率的過程，同時也可以調節輸出電壓。

變頻器的電路有主電路和控制電路兩個部分。主電路由整流器、濾波器及逆變器3部分構成，整流器將工頻交流電源通過整流變為直流電源，濾波器吸收整流器輸出中含有的交流分量，最后逆變器將直流電源通過逆變轉換為交流電源。控制電路部分根據輸入的運行指令向整流器和逆變器發出指令，調節可控硅元件觸發信號的頻率，從而達到變頻的目的。圖1為三相異步電動機變頻調速電路原理圖。

圖1 三相異步電動機變頻調速電路原理圖

變頻器控制電路由f（頻率）、V（電壓）運算電路，主電源檢測電路，控制信號運放電路及本體保護電路等組成。運算電路

將輸入的轉速、轉矩等指令與主電源電路的電流、電壓進行比較運算，得到逆變器的輸出電壓、頻率數據。主電源檢測電路實時檢測輸出部分的電流和電壓。控制信號運放電路負責驅動主電路器件，它與控制電路隔離使主電路可控硅元器件導通、關斷。保護電路通過檢測到電流值和電壓值異常判斷主電路發生過載或過電壓等故障時，使逆變器停止工作，防止變頻器和異步電動機等損壞。

有的變頻器還包括速度檢測回路，接入電機實際轉速反饋信號進行控制，通用變頻器一般很少使用。

2.2 變頻器的節能原理

變頻器的節能主要依靠調速節能，雖然變頻器改善功率因數和軟起動功能也有節能效果，但十分有限。

變頻器通過調頻調速，頻率下降時變頻器輸出的電壓也成比例下降，電壓與頻率的比例關系是根據電機特性而確定的。異步電動機的轉矩是由電機的磁通與轉子內電流之間互相作用而產生的，通過公式E（感應電動勢）=4.44×f（頻率）×N（線圈匝數）×Φm（磁通）可知，如果只降低電機輸入頻率而電壓不變，磁通就會變大，電機將因磁飽和而不能工作，嚴重時會燒毀電機[1]。降低變頻器輸出電壓即降低逆變器的輸入電壓，也應降低輸入逆變器的直流電壓。因此，可采用三相橋式整流，使整流器輸出的直流電壓可以隨頻率的改變而改變，避免產生磁飽和現象。

當變頻器負載為水泵時，由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉速n成正比，壓力H與n2成正比，因此，功率P與n3成正比，即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。例如：一臺75kW電機，當轉速下降到原轉速的3/4時，其用電功率為31.64kW，省電約57.8%，當轉速下降為原轉速的1/2時，功率為9.38kW，省電可達87.5%。

3 化工企業中變頻器的選用原則與建議

3.1 變頻器的基本選用原則

由于變頻器的良好調速性能及節能效果，許多化工裝置在設計時熱衷于用變頻器作為調速和節能措施。但變頻器的使用會帶來投資的增加、電網質量的下降、維護工作增加等負面影響。因此，除風機、水泵類節能效果明顯的設備外，其他不需要頻繁調速的設備盡量不要選用變頻器。

新建項目時，一般是根據工藝要求先選擇合適功率的泵，并選擇匹配的電機，然后根據選定的電機規格及負載類型選擇適合的變頻器。如需長期運行的變頻器，應選擇輸出電流大于電機實際工作電流的型號。電機的實際工作電流值與現場運行工況有關，不是電機銘牌上的額定電流，只有熟悉電機運行工況，估算出電機運行中電流變化的范圍，才能確定相應的變頻器的型號。電機功率大，而工作負載輕時，可以根據實際情況選用和負載匹配的變頻器。

3.2 根據負載及運行狀況選擇的建議

拖動恒轉矩負載的電機一般不過超負荷運行，可以額定電流為依據，選擇變頻器。例如：一臺22kW額定電流42A的電機，變頻器產品冊上22kW的變頻器輸出電流為45A，則可以選這個變頻器。風機泵類負載的電機變頻器選型，也可以電機的額定電流為依據。

經常短期過載的電機，所選變頻器的最大輸出電流應大于電機運行的峰電流，且過載周期在允許范圍內，可以選用額定功率高一級別的變頻器。例如，一臺55kW的電機，額定電流107A，間歇性運行，短期過載運行電流為150A，選型時根據變頻器過載曲線來選型，要求變頻器的輸出電流曲線能覆蓋電機電流曲線。對于重載型變頻器的選型，選型時要充分考慮變頻器的過載能力，比如施耐德某型號變頻器允許1.6倍短期過載，如不考慮過載能力，則根據圖樣規格需選用輸出功率75kW、輸出電流157A的變頻器，若考慮到過載能力，則選用輸出功率55kW、輸出電流115A的變頻器即可，可以減少投資并節約維修成本。另外，重載型變頻器的選型，也可以參考同類項目的日常運行數據。

3.3 海拔與環境溫度對容量的影響

變頻器選型的其他因素包括海拔、環境溫度、進線電壓等級、變頻器輸出頻率范圍等，其中海拔和環境溫度主要會影響變頻器使用容量。海拔高度超過1km，會造成變頻器電子元器件的性能下降，電容耐壓能力下降、電流承受能力也會下降。所以，在海拔高度超過1km的場所，一般將變頻器降容使用，在選型時要注意降容系數。在日常運行過程中，變頻器允許工作的溫度范圍一般在-10～+40℃。如果在-10℃以下溫度的場所使用變頻器，可能會因為溫度過低而起動不了，通過取暖設施將溫度提高到-10～+40℃內后，再起動變頻器，起動后運行一段時間，變頻器工作發出熱量，可使周圍溫度不至過低。變頻器的性能數據一般是在環境溫度為40℃時給出的。原則上，當環境溫度超過40℃時，變頻器需要降容后使用，選型時需注意。

3.4 進、出線電抗器的選擇

根據電機電流選定變頻器后，需要考慮進、出線側是否需要配備電抗器。進線電抗器是抑制進線側電流變化率的，如果電網上有直接連接的電機，電機直接起動時，會拉低電網的電壓，對電網造成電流沖擊。另外，在斷路器、接觸器合閘的瞬間，對電網也會有沖擊，表現為電壓和電流的瞬時畸變。在變頻器工作過程中，如果進線側電流超過了整流器的承受能力，就會發生變頻器過電壓、低電壓等故障，導致變頻器不能正常運行，甚至會損壞變頻器。在進線側使用電抗器，可以降低網側電流畸變對變頻器的影響。如果電網中存在上述潛在危險，則建議選用進線電抗器。如果電網上同一變壓器輸出側全都使用變頻器，電流波動情況較小，可不選用進線電抗器。異步電動機未使用變頻器時，起動電流可達額定電流的4～8倍，在變頻器使用后，可以有效降低起動電流，使之小于電機額定電流。

4 化工企業中變頻器常見跳停問題及分析處理

化工企業中變頻器使用過程中最常見的問題是各種原因造成的跳停，其中比較普遍的是以下幾種情況。

1）電網上同一變壓器輸出側大型電機一起動，運轉中的變頻器就跳停。電機在起動時線圈流過和容量相對應的起動電流，同時定子側電源的變壓器產生壓降，電機容量大時，此壓降的影響也大，連接在同一變壓器上的變頻器將做出低電壓或失壓急停的判斷，同時變頻器保護動作，造成停機。所以應針對大型電機的啟動采取增加軟啟動器、降壓啟動等措施，以減弱其對系統的影響。如果電機啟動時系統產生的電壓降不大，可以通過設置變頻器的控制參數來躲過壓降的影響，根據不同品牌類型變頻器的情況具體操作，如將降低輸入電壓的設置數值、延長欠壓保護的延時或直接短時退出欠壓保護等。

2）變頻器顯示過流跳停，一般可能是電機過載、電機故障、電機電纜故障或接線錯誤。跳停后應檢查電機及電纜情況，必要情況下可采用變頻器帶電機空載試運行，相應的故障恢復后即可正常開車。驅動物料攪拌電機等負載的變頻器可能因為短時負載突變而過流跳停，處理時要注意檢查負載情況。還有一種過流可能就是用變頻器傳動的電機并聯改善功率因數的用電容器，運行變頻器后電流流入改善功率因數的用電容器，由于其充電電流造成變頻器過電流。作為對策可以將電容器拆除后運轉，在變頻器本身的特性以及輸入側交流電抗器的影響下功率因數還是會比較高。另外，由于目前化工企業電力系統基本都是采用配電所集中式電容補償改善功率因數，此種情況已基本不存在。

3）變頻器過熱跳停。目前變頻器散熱器會有過熱保護，一般在115～125℃，散熱器溫度超過限值時變頻器會跳停以達到自我保護目的。散熱器過熱的原因一般是冷卻風扇故障、空氣流通受阻、積灰、環境溫度過高或電機負載過大。針對以上原因檢查處理后重啟變頻器并查看出風口溫度情況。如果變頻器過熱保護功能發生故障，將導致變頻器過熱時不能自動停機，造成變頻器燒壞。某化工裝置供水車間一臺55kW水泵電機夜間跳停，未及時啟動備用泵，造成整套化工裝置非計劃停車事故，經分析是水泵電機的變頻器柜內散熱風扇故障，且變頻器過熱停機功能無效，造成變頻器內部整流橋及大電容燒壞。

5 變頻器散熱問題及維護要點

變頻器的過熱問題是運行中最常見且容易忽視的問題，下面就變頻器柜通風量要求、日常散熱維護進行重點論述。

變頻器在使用過程中過熱報警或跳停的情況是最常見的故障，一般這種問題都與變頻器的散熱、通風有關。目前化工企業的變頻器一般安裝在柜內，通用變頻器的散熱都是經過理論計算和大量的實踐驗證，正常運行情況下不會存在問題。由于變頻器的安裝柜很多并非變頻器生產商配套產品，其通風量可能未經計算，也沒有實踐驗證，安裝柜通風量不足成為變頻器過熱的主要原因之一。某化工裝置新安裝的350馬力（1馬力≈735W）變頻器，空載運行正常，帶負載后多次過熱跳停[2]。技術人員檢查發現變頻器自身及安裝柜的冷卻風扇工作正常，但運行時安裝柜的柜體溫度明顯高于其他同類型設備。對比發現新的安裝柜通風設計不足，導致散熱不及時，熱量在柜內聚集造成變頻器過熱跳停。對柜頂開孔增加散熱風扇后運行穩定，多年未發生過熱跳停的現象。

變頻器自身散熱問題主要是元器件的清潔與風扇的完好。很多化工企業由于粉塵多、空氣污染等原因造成變頻器所處環境比較惡劣，元器件容易附著粉塵或物料，造成散熱不暢，因此化工企業要根據不同區域的具體情況做好變頻器的定期清掃工作。比如,某化工裝置因為生產物料存在煤粉，現場環境衛生較差。雖然變頻器安裝在配電所內，元器件還是很容易附著粉塵，粉塵除了影響散熱外還可能造成元器件短路而

損壞變頻器。

自帶冷卻風扇的變頻器一般風的方向都是從下向上，所以裝設變頻器的地方，上、下部不要安裝或放置妨礙進、出風的設備設施。變頻器安裝柜的進風口應該設置在下部，出風口設置在上部并高于變頻器的出風口。變頻器上方不要放置怕熱的零件等。很多安裝柜會在進風口裝置過濾設施，設計時必須考慮到空氣通過過濾設施后產生的壓力損失，以及過濾器阻塞時壓力會有所下降等因素，設計通風量時應留有余量。

變頻器及安裝柜的散熱風扇和進、出風口檢查清理作為日常工作不容輕視。由于變頻器和安裝柜的風扇一般3～6年才需更換，往往運行過程中未給予足夠的重視，很多巡視檢查或清理檢修工作只是觀察確定風扇轉動就認為是完好的，但實際情況可能是風扇轉速已遠遠低于正常值，在實際工作情況中已多次發現此類現象。因此，巡檢及停車檢修機會都要對變頻器及安裝柜的風扇仔細檢查或清理，比如,巡檢時除查看轉動有無異常外還可以感受出風口的風量和風速，根據經驗判斷風扇是否故障；清理檢查時用手轉動風扇檢查有無卡阻現象、轉動是否平穩、停止是否緩慢平滑。安裝柜的進風口濾網要根據環境情況定時清理，曾經有化工裝置主要設備因變頻器安裝柜的濾網堵塞跳停，造成整個裝置的停車事故。

總之，散熱問題是影響變頻器穩定運行的一個重要因素，散熱問題會造成設備的直接跳停，也會加速變頻器元器件的老化損壞，長期運行還會加速各部位的絕緣老化，縮短變頻器壽命。因此，從變頻器及安裝柜的采購、設計、安裝、維護等各個環節都要對散熱問題給予足夠重視。

6 結語

變頻器的應用目前已經非常成熟，但化工企業還應根據自身情況謹慎選用，充分論證節能潛力，合理選型。通過對化工企業應用變頻器常見問題及案例來看，從設計、采購、到安裝、運行、維護各環節都要高度重視變頻器的使用，日常維護中要重點關注散熱問題。

【1】戴廣平.電動機變頻器與電力拖動[M].北京：中國石化出版社,1999.

【2】李自先,周中方,張相勝.變頻器應用維護與修理[M].北京：地震出版社，2005.

The Use of Frequency Converter in Chemical Industry

JI Jian
(Jiangsu Guoheng Safety Evaluation&Consultation Service Co.Ltd.,Nanjing 210017,China)

In this paper,according to the principle of the frequency inverter and the experience of daily maintenance,discussing the choice of the frequency converter in the chemical industry,put forward a rational point of using the inverter.According to the analysis of the common problems of frequency converter in operation,focus on the heat dissipation problem,this paper point out the risk of selection of frequency converter and maintenance management and its countermeasures.

chemical industry;frequency converter;type selection;heat dissipation

TN773

A

1007-9467（2016）11-0056-04

2016-10-16

季健（1982～），男，江蘇如皋人，工程師，從事電氣工程研究。