对变频调速技术问题的探讨

变频调速技术在水泥行业中的应用越来越普及，因此在电机学原理的基础上，并结合多年来的实践应用，对变频调速技术加以认真的分析和总结是有意义的。  

1　变频调速后异步电动机机械特性 

变频调速原理基于n=(60f1/p)(1-s)，即改变定子供电频率f1，可改变电机的同步转速n。为保持在调速时电机的最大转矩Mm不变，要求定子供电电压作相应调节，以维持磁通恒定。根据定子电压U1和定子供电频率f1的不同比例关系，有不同的变频调速方式。图1为变频调速时异步电机机械特性，其中Δn表示负载变化时的转速偏差。 
　　
1)保持U1/f1=常数的比例控制方式。该方式下，只要U1和f1成比例地改变，就可维持恒磁通，从而实现变频调速。但低频时，由于定子阻抗相对定子漏抗不能忽略，最大转矩Mm随频率降低而减少，起动转矩也将减小，图1中的曲线4和5为低频时理想曲线，1和2为实际曲线。  
　　
2)保持最大转矩Mm为常数的恒磁通控制方式。该方式下，为使Mm不变，须随f1的降低适当提高U1。 
　　
3)保持恒功率的控制方式。在f1>f1e(定子工频)时，若仍维持U1/f1=常数，势必使U1超过定子额定电压U1e，这是不允许的。因此在f1>f1e时，定子电压不再升高，而保持U1=U1e，此时可近似视为恒功率调速。如图1曲线6为f1>f1e时理想曲线，3为实际曲线。 
　　 




　　图1　异步电动机变频调速时机械特性 


2　对几个指标的探讨 

　　 
2.1　关于转矩的问题 
　　

1)当在额定频率f1e以下时，如图1中的机械特性曲线7、8、9中的互相“平行”部分调速范围很宽，可以适应不同大小的负载。 
　　

2)当所调频率过小，如图1中f1≤f1e时的机械特性曲线1和2。此时电动机的负载能力实际变小了，只能满足小负载转矩如M3等。而不能满足稍大一些的负载转矩如M1、M2等，这类需要设备低速乃至超低速运行的情况，在水泥行业中经常遇到，如包装机包装完毕需清仓卸灰时，需低速运行；又如回转窑在使用变频器调速时若省略慢转电机，则在翻窑等特殊情况下，需超低速运行，若此时由于负载过大电机满足不了要求，则应需对变频器转矩提升功能进行设定，以满足生产对负载的需求。 
　　

3)当所调频率f1高于f1e时，电机实际的机械特性变差，负载能力降低了，如图1中曲线6中实曲线部分3。此时，变频器由恒转矩工作状态变为恒功率工作状态，如图2所示。 
　　 




　　图2　恒转矩和恒功率调速时机械特性 

　　这时随着频率(转速)的升高，转矩M逐渐下降。但在实际应用中将转速调到额定频率以上的情况很少遇到，有时也不允许。 
2.2　关于速度问题 
　

　即使变频器输出的是同一频率，由于负载转矩的变化(不同)使得电机设备的实际转速存在偏差，如图1中M2与M1和M3之间存在着转速偏差Δn，而且负载变化越大，Δn越大，水泥行业中也存在这种情况，如我厂旋转式包装机在用变频调速时，是按速度定产量，如变频器输出23Hz时对应电机转速约500r/min，相应产量是80t/h，但如果旋转料仓的料量不同即负载不同，则实际转速是会有偏差的，以此定产的80t/h也只能是估算。若要求严格，可将电机由开环控制改为滑差补偿控制或进行速度反馈等闭环控制。使得即使负载变化，电动机仍然保持速度指令下对应的转速。以上控制则需要进行控制功能设定或加选件(印刷电路板)。当需要设定频率与输出转速绝对一一对应时则应将电机改为同步电机，电机实际速度即为n=60f/p，不必设置速度反馈控制，只要精确地控制电源的频率就能精确地控制转速。 

2.3　关于节能问题 
　

　由电机功率P=转矩M×转速n，在负载转矩变化不大时，即M趋于恒定时P正比于n，如水泥厂中风机类负载，在低速起动时可节能，又如水泥窑及选粉机等的主电机在工频50Hz以下调速时均可节能，但前提是须满足生产对负载转矩的需要。 

3　变频器诸多通用功能应用说明 

　　 
3.1　对几个重要参数设置的说明 
　　

我厂大量使用的日本东洋电机的VF61变频器和ABB公司的SAMIGS变频器都具有多种参数设定功能。经过多年的摸索总结，对几个重要参数的设置说明如下。 

3.1.1　关于额定参数的设置 
　　

在使用变频器之前，必须将实际电机的铭牌数据如额定电流、额定电压、额定频率等输入到变频器内，即需重新设定。因为变频器有多种保护功能，以使电机能正常工作在允许的范围之内，起到应有的保护作用。 
3.1.2　关于频率设定方式的问题 
　　

可由控制盘、端子台、微机联网三种方式设定频率，通常我们只用控制盘和端子台两种方式。但两种方式也要有所选择，如VF61变频器用控制盘时选择DIR模式，用端子台操作时选择REM模式，否则在DIR模式下端子台不能操作，在REM模式下控制盘不能操作。当用控制盘操作时，在控制盘上设定一个频率，电机就以一个固定频率旋转，若想改变转速需再重新设定一个频率。 

3.1.3　关于频率设定的问题 
　　

1)对最高频率的设定:因为在用外部模拟信号如0～10V电压设定工作频率时，10V电压所对应的频率就是最高频率，可以达到400Hz，所以对最高频率必须重新设定，否则将产生严重故障。通常对最高频率的初始值设定为工频50Hz，即在外部最大给定10V时，变频器最大只能输出50Hz，保证电机在工频以下安全运行。 
　　

2)对频率上下限的设定:对转速(频率)有限定要求时，需重新设定。如我厂4号包装机主电机采用VF61变频调速已实现了以速度定产量，即在变频器输出23Hz(相当于500r/min)时包装水泥袋产量为80t/h，如果高于这个速度对主机设备不利。经与车间研究限定速度为23Hz(500r/min)，即在VF61变频器扩展设定项目1中的17号代码频率限界(上限)进行设定，用相对于最高频率如(50Hz)百分数设定进去，即23/50=46%设定后，在外部(电压)给定下变频器只能以23Hz(500r/min)下运转。 

3.1.4　其它参数的设定 
　　

1)U/F特性曲线的设定:如恒转矩负载，即使速度变化转矩也恒定的，如运输机械类，U/F曲线应设定为恒定特性。若变转矩负载，如泵、通风机等负载，U/F应设定成平方律递减特性(转矩以速度的平方变化的负载)。 
　　

2)转矩提升量设定:在低频区域，可根据负载调整转矩提升量，如水泥厂回转窑在采用变频调速后，可以通过变频器在低速下运行时省略回转窑慢转辅助电机。但须注意一个问题，即变频器在低频区工作时转矩会下降，有可能满足不了负载的需要，为此需进行转矩提升量的设定。 
　　

转矩提升量=(0Hz时输出电压/额定输出电压)×100% 
　　

如VF61的设定范围为0～20%。 
　　

3)其它许多参数和功能可根据工艺设备要求而重新设定，如可在起动或停止时进行加减速时间设定。停止方式有减速停止和自由停止两种，如旋转包装机停车时需要立即停止，就应设定停止方式为自由停止方式。 

3.2　可实现多种自动控制功能 
　　

变频器可与计算机或控制器等配合使用，实现多种自动控制功能。又可与自动化仪表配合使用，实现对温度、压力、速度、位移等物理量自动跟踪、定理监控等。 

4　对几个重要故障现象分析 

　　 
4.1　关于飞车事故 
　

　我厂辊压机和制成车间的定量给料装置采用了电子皮带秤和转子秤，采用变频调速的异步电机就出现过飞车现象。究其原因是计量控制器根据料量(料重)的大小和速度的多少，输出控制信号0～10V或4～20mA到变频器的频率给定接口，使变频器在一定的频率范围内工作。出现飞车现象，说明控制器的输出信号0～10V或4～20A产生了失真即放大了。产生失真的原因一个是控制器内部芯片元件出现故障，另一个原因是控制器输出的信号线与有源高磁场线相混，再加上屏蔽效果不好，而产生了干扰造成的。对此类故障，一是采用好的屏蔽线，并与有源线保持一定距离，二是修复或更换控制器内部的芯片或元件。 

4.2　速度调不上去的问题 
　

　我厂5号水泥磨用的盖特选粉机，离心主轴电机采用变频调速22kW、4极电机。在投入变频调速后，速度调到一定值如700r/min时，就因过流跳闸而调不上去。按工艺设计18.5kW电机就已够用，而反复查验变频器并无问题。若将4极电机换成同功率的6极电机，转矩会提高一些，但需重新购置并安装电机和减速机，困难转大，又影响生产。所以应从电气上提高电机转矩上着手。经对VF61变频器转矩提升量和加减速时间等重新设定操作后均无效果，最后通过对其最低频率设定获得成功。 
　　

该变频器未经调整初始值为0.5Hz，必须进行重新设定。当设定为1Hz时，电机起动有力，顺利达到平稳运行状态，亦可调到所需要的任何速度，如果起动频率设置的合适，可使起动转矩达到额定转矩的100%～200%，以满足负载需要。 

5　结语 

虽然变频器的品牌不同，其具体操作、功能会有所差异，但其基本功能和基本原理是一致的。 
　　

变频调速器有安装操作方便，调整起动平滑等诸多优点，但是，综合以上的分析和探讨，我们知道，并非新安上一台变频器就能够满足生产上的需要，必须根据诸如电机铭牌数值的保护问题、电机在低频区或在起动中如何提升转矩的问题、速度高低的限定问题等等，结合生产上的需要而重新进行设定和调整。变频器的最大优势在于调速方便，而对于节能，前提是必须满足生产上对于负载的需要。