淺析變頻器在化工設計中的應用

于堅煒

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

淺析變頻器在化工設計中的應用

于堅煒

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

眾所周知，在工業(yè)化生產過程中，特別是在石油化工生產過程中，對物料的壓力、液位、流量要進行嚴格地配量操作，對復雜的操作過程，傳統(tǒng)方式是采用固定轉速的電動機，用控制閥控制管道中流量的變化來完成整個過程的控制；隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器在工業(yè)生產當中的應用越來越廣泛，可以通過對電動機變頻調速來實現(xiàn)對管道流量變化的控制。因此，對于許多專業(yè)設計人員來說，如何正確、合理地應用變頻器顯得十分重要。本文針對變頻器在化工設計中的應用的一些問題做了分析。

變頻器； 異步電動機；外接控制回路

1 變頻器在工業(yè)生產中的意義

(1)變頻器的應用是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環(huán)境等要求；

(2)變頻器的應用可以節(jié)約能源、降低生產成本。

2 異步電動機變頻調速的原理、特性及優(yōu)點

2.1 異步電動機變頻調速的原理

對于異步電動機的變頻調速，是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現(xiàn)的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差率功率小，效率高。

2.2 異步電動機變頻調速的特性

異步電動機變頻調速的特性和基本要求是在基速(即電動機自然機械特性速度)以下調速時要求保持電壓和頻率的比值為定值V/F≈常數(shù)，電動機具有恒轉矩調速特性；在基速以上，電壓額定值一般不再升高，所以電動機磁通將隨頻率的調高而減小，電動機具有恒轉矩調速的特性。由于在低于基速時要求V/F為定值，故常用的變頻裝置為VVVF(Variable Voltage Variable Fraquency)變壓變頻控制方式的變頻器。

由式n=60f1/p[1]

n——轉速；

f1——頻率；

P——極對數(shù)

可以看出，若均勻地改變供電頻率f1,即可平滑地改變電動機的同步轉速，因此，它可以通用于各種異步電動機。

(3)變頻調速的優(yōu)點

(1)較高的效率和功率因數(shù)。由于異步電動機在調速過程中總是運行在很小的轉差率情況下，此時轉子的等效電阻很大，轉子回路基本上是電阻性的，因而功率因數(shù) COSφ也高。

(2)調速范圍寬。頻率可以在低于和高于工頻電源頻率的范圍內調節(jié)，低頻率從幾赫茲開始，高頻則可達幾百赫茲，因而具有較寬的調速范圍。

(3) 調速精度高。由于采用微機控制，變頻調速系統(tǒng)開環(huán)運行時已有相當?shù)木龋舨捎盟俣乳]環(huán)控制，則可達到很高的調速精度。

3 變頻器的選型

3.1 變頻器額定容量的選擇

選擇變頻器時，應以電動機的額定電流和負載特性為依據(jù)選擇變頻器的額定容量。變頻器的容量通常是以“千瓦”數(shù)及相應的額定電流標注的，對于三相變頻器而言，該"千瓦"數(shù)是指該變頻器可以適配的三相異步電動機滿載連續(xù)運行時的電動機功率。由于變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增加，應適當選擇大一檔容量的變頻器與電動機相配合使用。當電動機屬于頻繁起動、制動工作類型或重載起動且頻繁工作類型時，可選取大一檔的變頻器與之配合使用，有益于變頻器長期、安全地運行。除上述情況外，必要時應按下列情況選擇或校核需要的變頻器容量。

當單臺變頻器驅動單臺電動機時：IV≥kIN

式中：IV——變頻器額定輸出電流，A；

k——電流波形補償系數(shù)，一般取1.05～1.1；

IN——電動機額定輸入電流，A。

從理論上講，如果電動機負載比其容量小，可以按照電動機的實際負載功率來降低額定容量選擇變頻器，但在實際應用中，由于存在動態(tài)擾動下的峰值電流，如電動機起動過程，運行中的工藝轉換過程，負載變化等，且功率大的電動機電流峰值也大，而這個峰值電流的幅值很難預測，有可能超過變頻器的允許值而造成故障。其次，如果選用變頻器容量偏小，往往不能滿足電動機起動和低速運轉時的轉矩需要，造成起動困難或低頻運行不穩(wěn)定，因此降額選用變頻器時應慎重考慮。

3.2 變頻器功能的選擇

選擇變頻器時，應考慮負載最小和最大運行速度極限。滿載低速運行時，電動機可能會過熱，所選變頻器應有可設定下限頻率、可設定加速和減速時間的功能，以防止電動機在低于設定頻率下運行。一般風機、泵類負載不宜在低于15Hz以下運行，如果確實需要在15Hz以下長期運行，需考慮選擇變頻電動機；如果電動機的起動轉矩能滿足要求，宜選用變頻器的降轉矩模式，以獲得較大的節(jié)能效果。

4 變頻器外接主電路

4.1 輸入側的接線

在電源和變頻器之間，通常接入低壓斷路器與交流接觸器構成控制系統(tǒng)的主電路。交流接觸器的主要作用是達到自動控制的目的，其次是當變頻器發(fā)生故障時，能迅速切斷變頻器的電源起到保護作用；低壓斷路器除了其本身的功能外，還在安裝與維護變頻器時，起電源隔離作用。在變頻器控制柜中，主回路電源側不宜使用熔斷器，以防發(fā)生電源缺相故障。目前大部分變頻器已具備電源缺相保護的功能，但選擇電源開關時也一定要使用低壓斷路器，避免出現(xiàn)缺相運行的情況。因為電源缺相時，電動機將由于電壓不平衡而使其轉矩下降，電流增大，甚至嚴重過電流，可能導致主電路整流元件和濾波電容的損壞。

4.2 輸出側的接線

在大多數(shù)情況下，變頻器的輸出側應直接接至電動機，一般不允許接入交流接觸器，因為變頻器本身對電動機有著較強的保護功能，在線路短路、電動機過載、缺相等故障出現(xiàn)時，能自動斷開電動機回路，從而保護電動機及其本身，同時給出故障指示，根據(jù)故障編碼可以查找和排除故障。如必須接入交流接觸器時，應確保先接通輸出側交流接觸器，后接通輸入側交流接觸器，加裝的交流接觸器的控制電壓應引自電源，或另加控制電源，不能取變頻器輸出端的電壓，否則，交流接觸器不能正常工作。

變頻器的輸出側一般也不接熱繼電器，但如果用一臺變頻器拖動多臺電動機，變頻器的電子熱保護設定值是全部電動機的總和，對單臺電動機不起保護作用，就必須在每個電動機上加裝熱繼電器，并且將熱繼電器的輔助報警觸點串聯(lián)起來，接入變頻器緊急停機輸入端，一旦任何一臺電動機故障，熱繼電器動作，變頻器將緊急停機，起到保護作用。

4.3 主電路電纜的選擇

(1) 在選擇主電路電纜截面時，和普通的動力電纜選擇方式相同，應考慮電路中的電流容量、短路保護、電路電壓損失，應根據(jù)電纜的敷設方式和環(huán)境溫度將所選電纜的允許載流量乘以相應的校正系數(shù)；

(2)在選擇變頻器與電動機之間的電纜時，當配線距離較長時，線路上的電壓損失較大，有時會出現(xiàn)因電壓過低而造成電動機轉矩不足、電流增加、電動機過熱等現(xiàn)象。所以，在決定變頻器與電動機之間電纜截面時，最關鍵的因素是線路的電壓損失△U的影響。一般情況下：

△u%≤5%

△u%的計算公式為：△u%=3 1/2 (R0cosφ+X0sinφ)Il[2]

△u%——線路電壓損失百分數(shù)，%；

R0、X0——三相線路單位長度的電阻和感抗，Ω/km；

I——負荷計算電流，A；

l——線路長度，km。

4.4 控制電路電纜

在變頻器中，主回路及其直接相連的周邊設備處理的是強電信號，而控制電路以及與其直接相關的操作電路和周邊設備中所處理的信號為弱電信號。因此，為了保證變頻器正常工作，在控制電路的布線方面也應充分注意，并采取必要的措施避免主電路及相關設備中的強電信號產生的干擾進入控制電路。在控制電路的布線方面應特別注意以下幾點：

(1)控制電路的布線應和主電路電纜及其他動力線分開。

(2)為了避免因干擾信號造成的誤動作，應采用屏蔽電纜或雙絞電纜。

(3)布線距離應以100m為參考基準，當布線距離超過100m時，使用信號絕緣器或繼電器對信號進行放大。

(4)在連線時充分注意模擬信號線的極性。

(5)與控制電源本身以及和外部供電電源有關的電路應選用截面在2.5mm2以上的電纜，操作電纜以及信號電路選用截面在1.5mm2以上的電纜。

5 變頻器的外接控制電路

圖1 變頻器的外接控制主回路關于變頻器的外接控制，以采用施奈德的ATV系列變頻器設計的一個工頻切換控制回路為例進行說明。變頻器必須滿足兩點控制要求：(1)用戶可根據(jù)工作需要選擇“工頻運行”或“變頻運行”；(2)在“變頻運行”時，一旦變頻器因故障而跳閘時，可自動切換為“工頻運行”方式。

主回路如圖1所示，接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端，KM2用于將變頻器的輸出端接至電動機，KM3用于將工頻電源直接接至電動機，熱繼電器FH用于工頻運行時的過載保護。對控制電路的要求是，接觸器KM2和KM3絕對不允許同時接通，互相間必須有可靠的互鎖。

6 結語

綜上所述，只有對變頻器的選型、系統(tǒng)設計及使用得當，才能發(fā)揮變頻器在工業(yè)生產中節(jié)能、高效的作用；反之，可能會造成變頻器故障、電動機損壞，影響企業(yè)正常生產，給企業(yè)造成經濟損失。所以，專業(yè)設計人員應重視變頻器在化工設計中的應用。

[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] 中國航空規(guī)劃設計研總院有限公司組,工業(yè)與民用配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.

(本文文獻格式：于堅煒.淺析變頻器在化工設計中的應用[J].山東化工，2017，46(12)：151-152，159.)

2017-04-27

于堅煒(1983—)，江蘇南京人，中級工程師，本科學歷，就職于中石化南京工程有限公司，研究方向為工廠供配電工程。

TM921.51;TQ08

A

1008-021X(2017)12-0151-02