李亮

（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱154007）

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對(duì)變頻器在工業(yè)中的選擇與應(yīng)用的幾點(diǎn)探討

李亮

（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱154007）

分析變頻器的原理、安裝方式和應(yīng)用，提出其在工業(yè)應(yīng)用中的必要性。

變頻器；原理；安裝方式；應(yīng)用

引言

變頻器的應(yīng)用不僅能改進(jìn)工藝控制水平，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)電的目的，也能夠促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。隨著計(jì)算工業(yè)化進(jìn)展，還能夠促進(jìn)中國(guó)節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)。特別是近年來(lái)科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)以及電子信息技術(shù)都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，直流調(diào)速取已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了取代交流調(diào)速的目標(biāo)，并且成為了當(dāng)今電機(jī)調(diào)速的主流技術(shù)。此外，由于變頻器不僅具有優(yōu)秀的起制動(dòng)以及調(diào)速性能，還有高功率以及節(jié)能效果，因此被認(rèn)作是未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)速方式，會(huì)為中國(guó)的工業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

1　變頻器的原理與安裝方式

1.1變頻器的工作原理

通過(guò)電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，實(shí)現(xiàn)將工頻電源轉(zhuǎn)換成需要頻率的電能控制裝置即為變頻器。現(xiàn)階段主流的變頻器都是采用矢量控制變頻或VVVF變頻的方式，能夠通過(guò)整流器將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成為直流電源，再將直流電源轉(zhuǎn)換為電壓、頻率均可以自行控制的交流電源提供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路由四個(gè)部分組成，分別是控制、逆變、中間直流環(huán)節(jié)以及整流構(gòu)成。其中：逆變部分為三相橋式逆變器，輸出為PWM波形；中間直流環(huán)節(jié)為緩沖無(wú)功功率、直流儲(chǔ)能以及濾波；整流部分為三相橋式不可控整流器。

1.2變頻器的安裝方式

變頻器的安裝方式主要有兩種，分別是柜式安裝和墻掛式安裝。

首先，在環(huán)境條件較好的條件下，應(yīng)盡量采取柜外冷卻方式；在采取柜內(nèi)冷卻時(shí)，應(yīng)盡量在單臺(tái)變頻器的正上方安裝抽風(fēng)式冷卻風(fēng)扇；多臺(tái)變頻器應(yīng)盡量采取并列安裝的方式，如果條件有限必須采取縱向方式安裝時(shí)，應(yīng)在每?jī)膳_(tái)變頻器的中部安裝隔板，將其分隔開(kāi)，但是無(wú)論何種安裝方式，都不能垂直安裝。

此外還有一種墻掛式的安裝方式，這種方法只需要保證變頻器周圍有足夠的空間即可，變頻器兩側(cè)應(yīng)有100mm以上的空隙，上下兩側(cè)則至少有150mm的間隙。

1.3變頻器的使用環(huán)境條件

雖然變頻器能夠在絕大多數(shù)的條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是為了保證其安全可靠，至少需要保證工作環(huán)境滿足下述幾項(xiàng)條件，分別是：環(huán)境溫度應(yīng)控制在0～40℃的范圍內(nèi)；相對(duì)濕度應(yīng)控制在90%以下；安裝位置沒(méi)有沖擊和振動(dòng)；不受陽(yáng)光直射，周圍無(wú)易燃易爆氣體，海拔高度低于1 000m等條件。

2　變頻器的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

2.1在工藝控制方面的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用

作為最具前途的調(diào)速技術(shù)，變頻器在中國(guó)的三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用頻率非常高，已經(jīng)達(dá)到了95%左右。通過(guò)變頻器的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)速范圍，最高可以達(dá)到20∶1；節(jié)能效果更為顯著，甚至可以達(dá)到60%以上的節(jié)能效果；更好地啟動(dòng)和制動(dòng)性能，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的軟啟動(dòng)、自動(dòng)平滑加減速以及快速制動(dòng)的操作；具有更完善的保護(hù)功能，可以在過(guò)載、過(guò)壓、欠壓、停電、短路、過(guò)流、失速等情況下予以設(shè)備更好地防護(hù)，并且還能夠自主判斷故障原因并予以顯示；能夠更為便捷的遠(yuǎn)程操作［1］。

2.2變頻器在泵類負(fù)載中的應(yīng)用

由于通過(guò)變頻器的使用能夠改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，繼而實(shí)現(xiàn)機(jī)泵工況和轉(zhuǎn)速的改變，最終實(shí)現(xiàn)揚(yáng)程、流量等調(diào)節(jié)，因此變頻器在機(jī)泵中的應(yīng)用非常廣泛，下面舉例進(jìn)行說(shuō)明：

某企業(yè)內(nèi)裝置區(qū)的生產(chǎn)情況極不穩(wěn)定，因此考慮對(duì)裝置區(qū)內(nèi)負(fù)載變化情況較為劇烈的機(jī)泵安裝變頻器，共計(jì)80臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)到了4 200 kW，這其中大多數(shù)均為閉環(huán)控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場(chǎng)一次表經(jīng)過(guò)變送器的將使用將信號(hào)傳遞到PID調(diào)節(jié)器，在完成調(diào)節(jié)后，將直流信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜傳輸?shù)阶冾l器的設(shè)定口，以實(shí)現(xiàn)控制變頻器輸出的目的。剩下的這一小部分則為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)控制目標(biāo)，并通過(guò)電位器的給定，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制變頻器輸出的目的，能夠使電動(dòng)機(jī)處在最合理的轉(zhuǎn)速，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)泵流量的控制，機(jī)泵出口閥處在全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，管網(wǎng)的阻力特性曲線與揚(yáng)程完全符合，在泵出口揚(yáng)程下降的情況下，電動(dòng)機(jī)的輸出功率也會(huì)迅速降低，以實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能效果。通過(guò)使用變頻器的方法，不僅實(shí)現(xiàn)了工藝質(zhì)量的提升，大大提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，還能夠提高生產(chǎn)效率、達(dá)到更高的節(jié)電率，創(chuàng)造更好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益［2］。

2.3變頻器在壓縮機(jī)中的應(yīng)用

變頻器在壓縮機(jī)中的應(yīng)用頻率也較高，產(chǎn)生了積極地促進(jìn)作用。例如某企業(yè)使用的兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)，保持一開(kāi)一備的運(yùn)行方式，單機(jī)的額定功率為75 kW，但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，只能保證45 kW左右的輸出功率。在這種情況下，壓縮機(jī)達(dá)不到額定工況，負(fù)載率較低，操作人員只能夠依靠手動(dòng)操作來(lái)進(jìn)行流量和風(fēng)壓的調(diào)節(jié)，不僅浪費(fèi)大量電能，還不容易精確控制。因此通過(guò)安裝變頻器的方式，用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制能力的提升，實(shí)踐證明，這種方法不僅經(jīng)濟(jì)效果十分顯著，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)也十分安全可靠。

3　變頻器在節(jié)能方面的效果

初期的變頻器都被用作控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)階段已經(jīng)具有更強(qiáng)的節(jié)能效果，并且由于中國(guó)是一個(gè)能耗大國(guó)，不僅能源儲(chǔ)備量不足，能源利用率也非常低。根據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)的電網(wǎng)總負(fù)載中，動(dòng)力類消耗60%，這其中有90%左右都是消耗在了異步電動(dòng)機(jī)上，中國(guó)整個(gè)工業(yè)用電的70%左右都消耗在了電動(dòng)機(jī)上。因此說(shuō)，如果通過(guò)使用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，最少能減少2.1×108kW的能耗，不僅給國(guó)家節(jié)省了大量的能源，也給企業(yè)生產(chǎn)降低了成本。

變頻器的應(yīng)用，能夠大幅度提高控制精度與電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)在最節(jié)能的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。以風(fēng)機(jī)水泵為例，根據(jù)流體力學(xué)的原理，在用風(fēng)量減少時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸降低，風(fēng)機(jī)的功率則與轉(zhuǎn)速的三次方的成正比下降；如果要保持水泵的效率，在調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速也會(huì)按比例下降，此時(shí)的軸輸出功率會(huì)以三次方的正比關(guān)系下降，即說(shuō)明水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速成三次方的正比關(guān)系。通過(guò)上述分析，即可發(fā)現(xiàn)通過(guò)變頻器的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行風(fēng)量、流量的調(diào)節(jié)，能夠獲得更好的節(jié)電效果，最高能夠達(dá)到55%的節(jié)電率。與此相同的是，很多變動(dòng)負(fù)載電機(jī)都是以最大需求來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)，這就造成了設(shè)計(jì)容量偏大，而實(shí)際的使用過(guò)程中，絕大多數(shù)的使用時(shí)間內(nèi)都是保持在輕載運(yùn)行狀況下，存在著效率低下，電能大量浪費(fèi)的情況。如果采用安裝變頻器的方式，可以大大提高電動(dòng)機(jī)輕載工況下的工作效率。因此說(shuō)變動(dòng)負(fù)載具有非常大的節(jié)能潛力。

化工行業(yè)作為中國(guó)的支柱性產(chǎn)業(yè)，一直都是能耗大戶，特別是由于近年來(lái)自動(dòng)化控制水平的不斷提升，大量的泵和壓縮機(jī)應(yīng)用在生產(chǎn)車間內(nèi)，能耗更是逐年上漲。由于化工企業(yè)中的絕大多數(shù)泵、和壓縮機(jī)都處于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，如果可以將這些非調(diào)速型電機(jī)改成調(diào)速運(yùn)行，則可以節(jié)省大量的電量，最終實(shí)現(xiàn)不可再生能源的節(jié)約利用。

4　結(jié)語(yǔ)

由于變頻器的使用具有非常多的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在加大應(yīng)用力度的同時(shí)，向技術(shù)研發(fā)方面傾斜足夠的資金，保證先進(jìn)技術(shù)能夠大量應(yīng)用在變頻器中，特別由于中國(guó)工業(yè)能耗量巨大，如果可以全部應(yīng)用變頻器，將會(huì)給國(guó)家節(jié)省巨大的能耗，并且為環(huán)境保護(hù)工作作出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

［1］陸昊.淺析變頻調(diào)速泵供水原理及實(shí)踐［J］.變頻器世界，2014（3）:69-71.

［2］龐宇.芻議變頻優(yōu)化調(diào)壓節(jié)能供水裝置的研制［J］.給水排水，2013（6）:101-102.

（編輯：王璐）

Discussion on the Selection and Application of Frequency Converter in the Industry

Li Liang
（College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Harbin Heilongjiang 154007）

Frequency converter in our country has been widely used in industrial enterprises，and to a certain extent，it has played an important role in promoting industrial development.This paper analyzes the principle，installation and application of frequency converter and points out its importance in industrial application..

frequency converter；principle；installation method；application

TM761122

A

2095-0748（2015）23-0076-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.23.34

2015-10-26

李亮（1994—），男，黑龍江哈爾濱人，佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院本科生。