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水泥企业变频器的选择

2013/08/23 水泥百科 变频器电动机

水泥企业为达到提高生产效率和节约能量的目的,必须正确选择系统配置,特别是选择这种系统中的电动机和变频器,涉及可靠性、性能和价格三方面的因素。 ......

  水泥企业为达到提高生产效率和节约能量的目的,必须正确选择系统配置,特别是选择这种系统中的电动机和变频器,涉及可靠性、性能和价格三方面的因素。
  1.变频调速系统中电动机的选择
  变频调速系统主要包括异步电动机、变频器、控制环节、负载及传动机构。
  在选择电动机时不仅要考虑驱动机械负载和使其加速所需的电机容量,还应根据生产环境选择相应的电机防护等级。另外,由于这时电机不是由电网供电,而是由变频器供电(即在变频调速运行时,大部分时间里该电动机不是工作在该电机设计制造的额定工况),会带来谐波、电磁干扰,也许会出现局部过电压、过电流等问题。同时,也须考虑让变频器尽量减少谐波、电磁干扰等带来的不良影响。
  1.1电动机容量的选择
  (1)选择因素
  水泥企业电机负载均很大,加之工艺过程波动很大。在选择电机容量时,应考虑以下因素:
  ①电机的容量应大于负载所需的功率。
  ②电机的最大转矩应大于负载的启动转矩,并要有足够的裕量。
  ③若电源电压下降了10%时,电机仍能输出足够的转矩。
  ④电机应在规定的温升范围内使用。
  ⑤针对负载的性质,选择适合的电机运行方式。
  实际上,在选择用于变频调速系统的电动机时,要在考虑有谐波条件下,电动机的电气、发热和机械出力三个方面的综合状况。特别在中、大型电动机中,要考虑过电压毛刺对电动机绝缘的影响,谐波成分对电动机温升的影响,转速调低(低频下)对电动机通风冷却的影响,在调速条件下对轴力矩的影响。
  考虑以上因素,实际的电机容量可由下式求得
  电动机的容量—驱动负载所需的动力+加速/减速所需的动力
  (2)驱动负载所需动力的计算
  负载的形式多种多样,比较典型的有恒转矩负载、平方降转矩负载、恒功率负载,下面结合水泥企业应用举例说明。
  ①平方降转矩负载
  a.泵类负载所需的动力功率计算公式为

  式中k——裕量系数,k=1.1~1.2;
  ρ——液体的密度,kg/m3
  Q——流量,m3/min;
  H——扬程,m;
  p——泵的效率,p=0.6~0.83。
  b.风机类负载所需的动力功率的计算公式为
  
  式中k——裕量系数,k=1.1~1.2;
  Q——风量,m3/min;
  H——风压,Pa;
  ——风机的效率,=0.3~0.75。
  2.变频调速系统中变频器的选择
  随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展,变频器的功能、性能得到了很大的提高。根据其性能及控制方式不同可分为:通用型、多功能型、高性能型,其控制方式也依次为v/f(常熟控制)控制、电压型PWM控制、矢量控制等。用户可根据生产的需要,在变频器性能规格、容量等方面进行选择。
  2.1变频器种类的选择
  根据负载机械的工作特点,结合对调速范围、调速精度和经济性的要求,用户可以选择不同种类的变频器来控制调速运行。
  (1)通用型变频器
  一般采用v/f控制方式,适用于风机、泵类负载场合。其节能效果显著,调速范围和调速精度较低,因此成本较低。
  (2)多功能通用变频器
  多功能变频器主要适应工业自动化,自动仓库、升降机、搬运系统、小型CNC机床、挤压成型机、纺织及包装机械等高速、高效需求。
  水泥企业一般采用通用型变频器较多,多功能通用变频器应用较少。
  2.2 变频器的规格和指标
  在选择变频器时,会接触到许多生产厂家提供的各类变频器的产品样本,这些样本主要介绍变频器的系列型号、特点以及各种功能和指标。用户根据自己的实际需要,就这些产品的性能、指标进行比较、筛选,以确定适合于自己的变频器。
  (1)型号
  一般为厂家自定的系列名称,包括电压等级和可适配电机的容量。
  (2)电压级别
  根据各国的工业标准或用途不同,其电压级别也各不相同,在选变频器时,首先应注意其电压级别是否与电源电压和电机的电压相适合。
  (3)最大适配电机
  在最大适配电机一栏中,通常给出最大适配电机的容量。应该注意这个容量一般以4极普通异步电动机为对象,而同容量的6极以上电机和变极电机等电机的额定电流比4极普通异步电动机的额定电流大,因此,在驱动4极以上电机时就不能单单以此项指标选择变频器,同时还要核对变频器的额定输出电流是否满足电动机的额定电流。
  (4)电源
  变频器对电源的要求主要有电压/频率、允许电压变化率和允许频率变化率等三个方面。通常对电压及频率变化率的要求分别为±l0%和5%。如果用户安装变频器的所在地点的供电电源电压波动超出通常规定的范围(或上限或下限),应同供货厂家讨论。
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  (5)控制特性
  ①.电压型还是电流型。
  ②.PAM、PWM或SPWM调节方式。
  ③.V/f控制,转差频率控制方式或矢量控制。
  ④.输出频率范围,一般最低为0.1Hz,最高频率因变频器性髓而异,该调速范围应满足用户的应用需要,同时要了解在所用系统中,在该频率范围内是否有机械共振或出现转速振荡的可能。
  ⑤.输出频率分辨率,设定频率的分辨率,输出频率的精度。
  ⑥.频率设定方式。有自身的参数设定,电位器设定,外部(0~5V、4~20mA)设定以及上位机发送的RS-232和RS-485等信号设定。
  ⑦.电压/频率特性。变频器中存有多种V/f特性,如转矩增强,平方降转矩负载节能特性等供用户选择。
  ⑧.载频频率。载频频率的高低标志着输出波形的质量,早期的GTR型变频器的载频频率为1~3kHz,目前常采用IGBT,载频频率可达10~20kHz,另外还有同步调制和异步调制之分。
  ⑨.过载能力。变频器所允许的过载电流以额定电流的百分数和允许时间来表示。一般变频器的过载能力为额定电流的l50%,持续60s。
  ⑩.加减速时间设定。加速、减速时间作为基本功能可分别设定。高性能变频器还具有曲线加速,多挡加、减速时间设定以及外部控制加减速功能。
  ⑾.制动方式。变频器的电气制动一般分为能耗制动或再生反馈制动。能耗制动时不加外接制动电阻的场合制动力约为20%,加外接制动电阻时制动力可达100%。能耗制动用于制动频率不高的场合。从节能的角度来看,再生反馈制动是最好的方式,但是相对较为复杂,价格也较高,主要用于频繁启动、制动的场合。
  ⑿.运行控制方式。变频器应具有标准的有触点控制的启动、停止、正转、反转输入功能,同时还可对停止的方式进行设定,如自由停止还是加速停止。另外通常还具有通过参数设定或由外部信号选择多级调速运转功能。
  ⒀.变频器的保护。欠压保护、过压保护、过流保护、失速保护、过热保护以及再启动功能等。
  2.3变频器容量的选择
  在确定系统中变频器的容量时应考虑电动机的容量、电动机的额定电流、加速时间等几方面因素。下面就如何选定通用型变频器容量做一些简单介绍。
  对于连续运行的变频器必须同时满足表3-1中所列三项要求。

  注:PM——负载要求的电动机输出功率,kW;
  ——电动机的效率,通常为0.85;
  ——电动机的功率因数,通常为0.75;
  VE——电动机额定电压,V;
  IE——电动机额定电流,A;
  k——电流波形补偿系数,通常为1.05~1.1。
  2.4 低压变频器的选型
  低压变频器指输入电源电压为单相220V和三相380V的变频器,这是水泥企业用量最大、应用最为广泛的变频器系列。低压变频器的选型首先要考虑用途,选择通用型还是专用型,要尽量使系统的各种功能通过变频器来实现。其次比较各厂家同类变频器的功能差别、性能价格比、售后服务,确定厂家及变频器型号。选型时还应注意与其它电气元件的接口互联问题,要求系统结构合理紧凑。以下以三垦公司四个系列产品的特点加以说明。它们都采用IGBT模块或IPM作为逆变器开关器件。
  (1)VFA5P系列风机水泵专用变频器
  矢量控制:采用独特的矢量运算控制,内藏PID。
  学习加减速:根据负荷自动调整适当的加减速时间,使加减速时间最短。
  自动节电方式:在保证输出转矩的前提下,比选用标准的V/f曲线节能效果更好。
  电压反馈控制:可使输出电压稳定,不随输入电压的变化而变化。
  输入输出端子功能:可在数十种功能中进行可编程设定。
  瞬停再启动功能:再启动时检测电机旋转方向和转速,平稳地再启动。
  软失速功能:可在过载时不跳闸,降低输出频率继续运转。
  瞬停不停控制:可在瞬间停电时继续维持运转l5ms以上。
  状态监控;可显示l6种参数中的任意4种。如频率、电流、电压、功率等。
  模拟量输出信号:可输出16种参数中的任意2种(频率、电流、功率等)。
  PWM载载频率:最高可达17kHz,中小功率为12~15kHz,真正静音,输出电流波形中高次谐波含量减小,载波频率的提高对带负荷能力的影响小。
  完善的保护功能:防止过流、过压、过负荷、过热等,过载能力120%-1min。
  (2)VFA5系列—般工业通用变频器
  在VFA5P的全部功能和特性基础上增加了功能和特性:
  过载能力;75kW以下150%-2min,90kW以上150%-1min。
  增加工程特殊功能:搬运机械,升降机械,金属切削及加工机床等特殊用途的功能。
  转速控制精度:无传感器矢量控制为土1%,有传感器矢量控制为土0.5%。
  频率精度:采用纤维机械功能时频率控制精度为±0.015,分辨率为0.01Hz。
  其它功能:模拟信号控制正反转,制动释放,直流制动,轻载时高速运转,低振动,低转矩脉动,钻头损坏预防等。
  (3)VFA7系列新一代通用变频器
  在VFA5基础上改进并提高的性能指标如下。
  内置抗干扰滤波器:15kW以下内置EMI(电磁干扰)抗干扰滤渡器,适应EMC(电磁兼容)指令,为CE标记对应的产品,为ISO9001及ISO14001认证产品。
  输出转矩提高;在0.5Hz时可输出高达2005的转矩,转速控制范围扩展到1:150。
  转矩控制功能:可通过转矩控制信号直接控制电机转矩,电机转速由负载转矩决定。
  计算机接口:标准RS485,RS232C,Prolibus,DeviceNet,TOSLINEF10M/S20可选。
  传感器矢量控制:可对电机的速度、转矩、位置进行高精度控制。
  标准显示:可显示30种参数中的任意一种,如频率、转速、电流、电压、功率等。
  状态监控:可显示30种参数中的任意4种,如频率、电流、电压、功率等。
  输入端子:在136种功能中任选一种,具有可编程功能。
  输出端子:在120种功能中任选一种,具有可编程功能。
  控制端子公共端极性变换:与PLC(可编程序控制器)一起使用,可进行漏极/源极和输入/输出逻辑变换。
  V/f参数变换:对最多4台电机进行V/f参数变换。
  均衡功能:在两台或以上变频器驱动同一负载时,防止负载不均衡造成变频器过载。
  更完善的保护:增加了输入输出缺相保护功能。
  随着技术发展、功能日益完善,低电压变频器已经发展成比较成熟的多系列产品。应该说,正确选择变频器是系统安全可靠稳定运行的前提。选型不合理,使用不当,常是变频器系统故障、性能不能满足要求的主要原因。
  2.5高压变频器的选型
  近年来水泥行业随着电价的不断攀升,高压变频节能技术越来越受到人们的亲睐,订货数量不断增加。本文从电压等级、拓扑结构、控制方式等几方面提出建议,供水泥企业选型时参考。
  (1)电压等级
  我国高压电机常用电压等级为6kV和10kV,另有少量3kV等级的高压电机。绝大部分的高压变频器输入都有一个隔离变压器,所以变频器输入电压通常能满足不同电网电压等级的要求。变频器的输出电压等级选择通常按照技改项目和新建项目有不同的选择原则。对于技改项目,本来电机工频运行,由于通常不会更换电机,加装变频器后,要求变频器的输出电压和电网电压一致,通常为6kV或10kV。对于新建项目,如果不需要工频旁路,电机电压可以配合变频器进行优化,如对于中小功率可选择2.3kV或3kV输出电压等级,以降低成本。如果需要工频旁路,建议变频器输出电压等级和电网电压一致,否则旁路比较复杂。
  (2)电压源型和电流源型
  目前绝大部分的高压变频器均属于交直交型变频器,按中间直流环节所用储能元件的不同,可分为电压源型和电流源型。
  目前主要的电流源型变频器为SGCT-PWM电流源型变频器。电流源型变频器的优点是能量可以回馈电网,可以实现四象限运行。电源侧常采用三相桥式晶闸管整流电路,输入电流的谐波较大,为了降低谐波成分,可采取多重化,有时还必须加输入滤波装置。输入功率因数一般较低,通常要附加功率因数补偿装置。由于不像电压源变频器,在直流环节的大滤波电容能存储较大的能量,电流源变频器对电网电压波动较为敏感,电网电压波动较大时容易停机,是个比较大的缺点。
  若整流电路也采用SGCT做电流PWM控制,可以得到较低的输入电流谐波和较高的输入功率因数,并且可省去输入隔离变压器。但PWM整流会导致变频器效率有一定程度下降。
  (3)V/F控制和无速度传感器矢量控制
  无速度传感器矢量控制技术能在基本不增加硬件成本的情况下,大大提高变频器的性能。即使用在风机水泵等稳态和动态要求相对较低的负载场合,无速度传感器矢量控制具有的转矩限幅、快速转速跟踪再起动等功能有效地防止加速过程的过电流跳机和减速过程中的过电压跳机和其它不正常的停机现象,对于保证变频器的可靠运行有非常重要的意义。目前如西门子、Rockwell、通用广电、三垦等厂家都能提供无速度传感器矢量控制的高压变频器。ABB能提供采用直接转矩控制的高性能变频器。无速度传感器矢量控制通常可达到的技术指标为:调速范围100:1,稳态转速精度0.5%,起动转矩150%。
  (4)对电网谐波污染和输入功率因数
  对电网的谐波污染主要取决于整流电路的结构和特性。减少电网谐波污染的主要方式有两种:多重化整流和PWM整流。单元串联多电平高压变频器通常整流脉冲数较多,对电网谐波污染较小。为了减少对电网的谐波污染,电流源型变频器通常采用18脉冲整流。三电平电压源型变频器至少需要12脉冲以上,要求高时可采用24脉冲。
  电压源型高压变频器由于采用二极管不可控整流,在整个运行范围内都有较高的功率因数,基波功率因数一般可保持在0.95以上,一般也不必设置功率因数补偿装置。电流源型变频器采用晶闸管整流时,由于晶闸管触发角导致的电流滞后,功率因数较低,且会随着转速的下降而降低,往往需要功率因数补偿装置。
  PWM整流能有效减少谐波,功率因数可调,且能量可双向流动。缺点是成本增加,效率下降。
  (5)输出波形及对电机适用性
  输出谐波对电机的影响主要有:引起电机附加发热,导致电机的额外升温,电机往往要降额使用,谐波还会引起电机转矩脉动,噪音增加。dv/dt和共模电压会影响电机绝缘。
  普通的二电平和三电平PWM电压源型变频器由于输出电压跳变台阶较大,相电压的跳变分别达到直流母线电压和直流母线电压的一半,会产生较大的dv/dt。较大的dv/dt会影响电机的绝缘。所以这种变频器一般需要特殊设计的电机,电机绝缘必须加强。如果要使用普通电机,必须附加输出dv/dt滤波器。
  单元串联多电平高压变频器由于输出电压台阶多、等效开关频率高,输出波形得到极大改善。输出谐波、噪声、dv/dt和转矩脉动均很小。所以这种变频器不加滤波器就可用于任何普通的高压电机,且不必降额使用。
  当没有输入变压器时,共模电压会直接施加到电机上,增加绕组对地的绝缘应力,引起绝缘击穿,影响电机的使用寿命(也有采用共模电抗器方案,一定程度上减缓共模电压的影响)。如果设置输入变压器,则共模电压由输入变压器和电机共同来承担,且主要由输入变压器承担。
  (6)国产品牌和进口品牌
  现在,随着国内高压变频器行业的迅速发展,国产主流高压变频器在功能、可靠性等方面已经达到国际水平,在成本和服务方面则占据很大优势,水泥行业在中小功率的常规应用(风机、水泵)方面,国产高压变频器已能完全满足用户要求。

(责任编辑:姜立东)

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