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变频器在电机启动和调速中的应用浅析
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 变频器的容量选择也不是一个简单问题,不能仅仅以电动机的容量为准。特别是对变频器产生的高次谐波的干扰问题以及对现场的危害要引起重视,对变频器产生的不可避免的电路干扰,尽管难以消除,采用适当的装置也是可以抑制的。
  随着现代大功率电子技术的发展,交流电机调速用的变频器的性能日新月异,调速范围宽、调速精度高、动态响应快、功率因数高、操作方便且便于同其他设备接口等一系列优点,使变频器的应用越来越广泛。
  但是,由于变频技术发展快,知识含量高、技术复杂,如何用好变频器,仅靠知道简单的安装接线,而不了解变频器的原理及其应用技巧,将很难用好变频器。
  现在,很多大型机械的驱动用到了变频器,变频器的使用及维护己经显得越来越重要了。
  一、变频器的工作原理变频器主要由主电路和控制电路组成。主电路包括整流电路(工频电源的交流电变换成直流电且对直流电进行平滑滤波)和逆变电路(直流电变换成各种频率的交流电)两部分。控制电路完成对主电路的控制。
  逆变器的工作原理有以下几个要点:逆变器是变直流为交流的;逆变电路是整流电路的反版,正好相反;通过改变晶体管的导通时间来改变出口频率;逆变器是通过改变晶体管的导通顺序来改变电机的旋转方向的。逆变器的容量受晶体管的容量所限制,这也是变频技术的难点。
  变频器控制系统的理解比较复杂,因为变频器的控制方式不同,导致输出的性能也不一样。
  V/F控制常规的变频控制方式,电压与频率的比率保持不便;简单磁通矢量控制是通过把变频器的输出电流进行矢量计算划分为励磁电流和扭矩成分电流,然后调节电压使产生的电机电流与负载扭矩匹配,从而改变扭矩特性;磁通矢量控制是通过矢量计算把变频器的输出电流划分为励磁电流和扭矩成分电流,然后调节电压使产生的电机电流与负载扭矩匹配,从而改变扭矩特性及调速精度;矢量控制是由编码器进行速度检测,且由数学运算来确定电机的转速差,从而确定电机的负载的。
  在变频器的控制电路中,另一个突出的功能是它的保护功能,这一点对现场使用维护很重要。
  变频器具有多种保护功能,主要的保护类型有:变频器的保护过电流保护、过电压、输出短路、输出接地故障、瞬间失电故障、欠压保护、主电路元器件过热故障、制动元件故障、过载;电机的过热保护过载保护、外部热继电器动作;以及其他保护连接错误、存储器故障、重试次数过多、CPU出错等。
  报警功能包括:错误操作状态报警、保护功能预报警等电机直接工频电源启动时,电机的启动电流一般为额定电流的6―7倍,且电机的加速启动时间由负载特性决定如果变频器驱动电机与工频电源启动相似,进行直接启动,而变频器的容量与电机相同,由于变频器的启动电流过大而使其出现故障。因此,变频器驱动电机必须在低频率状态启动,启动电流控制在额定电流的1.5倍左右理工研究与实践当变频器接受启动信号时,将输出启动频率而使电机产生启动扭矩。当变频器在启动频率情况下,电机的启动扭矩大于负载的启动扭矩时,电机开始转动。变频器的输出频率将逐步地增加,电机的转速也将增加直至稳定。变频器的启动、加速过程完成。
  断开变频器启动信号或设定比输出频率低的频率设定值,变频器的输出频率根据设定的减速时间逐渐地减少。减速时,电机的速度要比与变频器输出频率等效的同频速度高,电机会像发电机一样把能量返回变频器,这个过程叫再生。通常电机工频供电时,当断开交流接触器后,电机靠负载扭矩的制动力滑动到停止;变频驱动时,断开启动信号不会立即使电机滑动停止,而按设定的减速时间减速到停止。
  其中,要注意,如果减速时间设定太小,容易激活再生过电压保护或过电流保护功能。
  这两个概念也是作为常识来理解的。变频器是电源变流器,包含整流器电路和逆变器电路,这些电路都是消耗能量的电路。最终有一个推算效率公式:总效率=变频器效率x驱动电机效率变频器损耗与电机损耗由于高次谐波的影响,总损耗要比工频驱动时大。变频器的功率因数不能用电压与电流的简单比率来确定,主要是由于高次谐波的影响。研宄功率因数主要是针对电流的畸变而言的,改善功率因数就可以改善电流波形,同时抑制了高次谐波,减少了干扰。
  二、三相异步电动机启动与调速随着电动机的广泛应用,电机的启动和调速越来越显得重要。电动机的启动过程的大电流和大冲击历来是个不安全因素,设计人员根据电机原理给出了一系列的软启动方法,比如降压启动、Y―△启动、串电阻启动等,最终选择了变频启动。电动机调速也一样,也经历了一个从调压调速、变极调速、电磁转差离合调速等传统方法到变频调速的过程。
  电机转速不仅取决于负载扭矩,而且取决于电机的级数和供电频率,F=PN/60,N为同步速度;带有负载的电机转速比电机的同步速低,转差率表示差别程度;电机输出扭矩不是固定不变的,是跟随着负载扭矩变化的,电机转速也是随负载变化而变化;电机电流也是随负载变化而变化的,空载电流一般为额定电流的50%,低转速时电流较大;电机的额定扭矩不是电机的输出扭矩,而是电机在额定转速、连续运转时所允许的负载扭矩;2.变频启动电机的情况变频启动电机时为了减小启动电流,采用了低频启动,同时启动扭矩也减小,这就是平缓启动。
  变频器启动要注意以下几个概念:由于变频器输出加到电机上的电压的波形,不是正弦波,而是畸波,所以,在额定扭矩下的电机电流比工频是多出10%左右,同时电机温度有提高;变频器输出的电压要随电机的转速的变化而变化。因为通过变频进行电机调速,如电压不变,电机的磁通就会增加(磁饱和)电机的电流就要增大,电机过热,有可能烧毁。
  所以为保持磁通为一常数,电压要随频率的变化而变化;变频器不能输出高于供电电源的输出电压,所以在高频时,输出电压是恒定的;引入标准电机的概念,也就是常说的变频电机,是专为变频器设计的,标准电机按理论可以在120HZ下运行三、电动机与变频器的匹配首先,什么是变频器的容量,可以从以下几方面来理解:在电动机提速或恒速时,变频器的效能是输出电流,也就是变频器能够给电机提供多少电流。变频器这种输出电流的效能可以由它的额定输出电流或过载能力来表示;在电动机减速运行时,由于变频器的减速操作使其驱动的电动机变成了发电机,能量的流动是从电动机流向变频器,同变频器提速和恒速运行时相反。变频器这时的作用是要消耗这些能量。减速时电动机负载返回的部分能量由电动机消耗,而其余部分则由变频器来消耗。
  另外,由于电动机及电动机负载返回的能量会使变频器的端电压升高,当电压升高到一特定值时,就会又产生再生能量消耗或直接返回到供电电源侧。
  选择变频器容量时要注意:首先,变频器的容量应该与其驱动的电动机的容量相匹配,另外,变频器的选择要依据电动机的负载特性、运行方式等情况来决定。
  然后,再具体的分析就是根据机械侧要求的电机转速、加速扭矩、减速扭矩、电机扭矩等,以及电机电流、电机的冷却系数等检验项目来确定。其中,重点要适合启动时最大扭矩的要求,电动机启动点要满足电动机输出扭矩大于负载扭矩;加速过程的扭矩的要求,电动机的输出扭矩必须小于电动机加或减速时的所需负载扭矩;减速过程的再生制动的要求(散热)电机的温升的要求,电机绝缘的等级等,变频器的再生制动扭矩由减速时的电动机损耗和变频器损耗来确定。这里,在变频器的具体选择中要注意以下几点:为了增加变频器的加速能力和启动扭矩,可以在变频器的参数中加大它的扭矩提升值或增加变频器的容量;为了增加变频器的再生制动扭矩,以改善变频器的减速性能,可以采用增加变频器的容量。
  变频器的高次谐波的干扰问题一直是其质量品质的一个重要指标。因为在像电厂这样技术密集的生产现场,各种计算机控制的系统比比皆是,通讯、影象等等,都不能受到高频的干扰,所以,干扰问题是变频器唯一的缺憾。
  高次谐波定义为基频(通常为电源频率)倍数的频率,单个基波与几个高次谐波组合一起就产生了畸变波,简称畸波。变频器中的整流器、AC电源校正器等是高次谐波源电源分配系统有了高次谐波问题时,谐波电源不是普通的工频电源,而是一个谐波源。电源谐波不仅是由变频器独有的,而是大多数电子设备共有的问题,是个社会问题,我们必须正视这个现实。
  从以上变频器的工作原理分析来看,只要变频就不能避免高频谐波,也就肯定产生干扰,关键是如何进行抑制。
  变频器生产厂商都在变频器中加装了自己的抑制装置,概括起来有这么几种:应用高功率因数变频器,靠自身完成谐波的衰减;在变频器电源侧加装AC电抗器,增加阻抗,以抑制谐波;()在变频器DC电路中安装DC电抗器,增加阻抗,以抑制谐波;以上是变频器自身的抑制,可是对于安装完后己有明显干扰现象的现场,除了更换外,还应采取一定的补救措施。
  高次谐波的对外干扰主要有两个方面:一是空间电波干扰;二是电路内的高次谐波的干扰。
  对于空间电波干扰,这个好处理,简而言之就是外加屏蔽。难以处理的是电路内的谐波干扰。实际上前面给出的抑制措施就是针对这一干扰的。
  对于电路内的谐波干扰,只能进行衰减处理。这个过程的关键是谐波的测量与计算。因为现场条件有限,谐波又只能是逐级衰减的,所以,在现场可以进行电抗器试验,检出适合的电抗器进行安装滤波。当然这是最原始的处理方法,最好是把不合格的变频器进行更换。现在,各变频器制造厂在产品出厂时都进行干扰测试,而且国际上有一个变频器等电子设备的高频干扰合格标准,这都便于使用者选择。
  五、变频器的安装、使用及维护变频器的运行可靠性很大程度取决于温度,而变频器的温度升高往往是由于安装位置或安装方式不合适造成的,具体涉及以下几个方面:变频器附近有热源;变频器通风路径狭窄;变频器安装方向不对;变频器的冷却风扇出现故障;变频器上方的空间过小等。
  周围温度升高10*C,变频器的寿命减半;温度降低10C,变频器寿命增倍,这一规律称为Arrhieniusdinglv定律。
  变频器的安装环境要求:*c;周围湿度在90 %以下;安装地点远离腐蚀气体、爆炸气体、易燃气体、灰尘、污垢及油雾;允许三相AC电压波动范围为170 *5%;以及对海拔、振动等的要求。对于环境的变化,我们可以采取如下具体的防止措施:当温度过高时,采用强迫通风冷却;安装空调;躲开光照或热辐射。当温度过低时,采用在配电柜内安装加热器或不要关闭变频器的方法。当湿度过大时,采用电加热的方法去潮或不要关闭变频器。
  为了有效地使用变频器,与变频器配套的电气元件的选用也很重要。其中,主要外配元件有:上级空气开关、漏电断路器、输入侧电磁接触器浪涌抑制滤波器、输出侧的电磁接触器、热继电器、功率因数改善电抗器等。这些元件的选配适当与否直接关系到变频器的使用性能。根据电气设计规程及变频器和安装回路的要求来选配这些元件,适当考虑参数的裕度。
  变频器是以半导体元件为中心而构成的静止机器,为了及早防止由于温度、湿度、尘埃、振动等使用环境的影响和使用零件的老化而发生故障,必须对其进行定期检查维护。
  这里首先要注意的一点是变频器停电后,里面的电容器仍然处于高压充电状态。所以,在进行检查时,一定注意对其主回路端子放电,用万用表测定为安全电压后再开始。
  变频器运行中可以就以下几方面进行检查:电动机的调速是否达到变频器的设计指标;冷却系统是否正常;是否存在异常的振动、异常的声音;是否出现异常的过热、变色;变频器的输入输出电压是否正常等。
  对变频器的定期检查常规项目如下:冷却系统的清理;元器件的紧固检查;导体绝缘件的老化情况;绝缘电阻的测试;冷却风机、平滑电容器、及继电器的检查和更换。
  另外,定期检查时对变频器的测试工作一定要使用规定的仪器仪表,否则测试不准。如果变频器能满足电动机启动与调速要求,这项工作一般不需进行。
作者:未知 点击:143次 [打印] [关闭] [返回顶部]
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