變頻技術(shù)在設備改造中的應用

1 概述

我廠(chǎng)海綿銅處理工序中采用SGZ1000-N 型三足式全自動(dòng)下部卸料離心機，進(jìn)行海綿銅固液分離，該設備由主機、輔機、轉鼓(以1 200 r/min轉動(dòng))等組成。傳動(dòng)系統情況如圖1所示。

由于該離心機是通用設備，它的主機是Y160L-4 型交流電動(dòng)機，其轉速保持在1 460 r/min，因此不可避免地帶來(lái)下述問(wèn)題：

1)不能根據我廠(chǎng)工藝流程調節合適的轉速，物料的固液分離不能達到理想的效果;

2)因為我廠(chǎng)的物料組成較為特殊，以至離心機在啟動(dòng)和運行中震動(dòng)很大，因此使設備使用壽命大大縮短。

為此我們采用變頻器對離心機的電動(dòng)機進(jìn)行控制，結果使設備的使用壽命延長(cháng)了12 倍，金屬回收率提高了1倍左右，僅一年節約的鎳金屬就價(jià)值45萬(wàn)元。該項改造很好地解決了原來(lái)設備中存在的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

2 變頻器的原理及相關(guān)設備的選用

2.1 變頻器的基本原理

圖2所示為變頻器的基本構成。它的基本原理是用一種特定的方式對變頻器中的晶閘管開(kāi)關(guān)進(jìn)行導通和關(guān)斷，直接把輸入的電壓波形“大致”調制成所需頻率的交流波形。

變頻器的控制方式大體有4 種：V/f控制，轉差頻率控制，矢量控制，直接轉矩控制。我廠(chǎng)選用的變頻器采用V/f 控制。

什么是V/f控制?它是在改變頻率的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，使電動(dòng)機的磁通保持一定，調速范圍較寬，而且使電動(dòng)機的效率、功率因數不下降。因為是控制電壓與頻率的比，所以稱(chēng)為V/f 控制。

為什么控制f就能夠調整轉速呢?異步電動(dòng)機的同步轉速由電源頻率和電動(dòng)機極對數決定，在改變頻率時(shí)，電動(dòng)機的同步轉速隨著(zhù)改變，當電動(dòng)機負載運行時(shí)，電動(dòng)機轉子轉速略低于電動(dòng)機的同步轉速，即存在滑差?；畹拇笮『碗妱?dòng)機的負載大小關(guān)系為

既然改變f 就能夠調整電動(dòng)機的轉速，那么保持V/f恒定控制有何意義?它與電動(dòng)機正常運行又有什么關(guān)系呢?下面以異步電動(dòng)機的T型等效電路(如圖3所示)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

在電動(dòng)機額定運行情況下，電動(dòng)機定子電阻和漏抗的電壓降較小，電動(dòng)機的端電壓和電動(dòng)勢近似相等。由式(2)可見(jiàn)，當電動(dòng)機電源頻率變化時(shí)，若電動(dòng)機電壓不隨著(zhù)改變，那么電動(dòng)機的磁通將會(huì )出現飽和或欠勵磁。例如當頻率f降低時(shí)，若繼續保持電動(dòng)機的端電壓不變，即繼續保持電動(dòng)機的感應電動(dòng)勢E 不變，那么，由式(2)可知，電動(dòng)機的磁通椎將增大。由于電動(dòng)機在設計時(shí)磁通常處于接近飽和值，因此磁通的進(jìn)一步增大將導致電動(dòng)機出現飽和現象。磁通出現飽和后將會(huì )造成流過(guò)電動(dòng)機的勵磁電流很大，這將增加電動(dòng)機的銅損耗和鐵損耗。而當電動(dòng)機出現欠勵磁時(shí)，將會(huì )影響電動(dòng)機的輸出轉矩。因此，在改變電動(dòng)機頻率時(shí)應對電動(dòng)機的電壓或電動(dòng)勢進(jìn)行控制，以維持電動(dòng)機的磁通恒定。顯然，若在變頻控制電動(dòng)機時(shí)，能保持V/f 為恒定，可以維持磁通恒定。

由于對電動(dòng)機的電勢進(jìn)行檢測比較困難，考慮到在電動(dòng)機正常運轉時(shí)電壓和電勢近似相等，由式(2)和式(3)可知，通過(guò)控制V/f比一定可以保持磁通恒定。所以變頻器可實(shí)現軟啟動(dòng)，使電動(dòng)機逐漸加速，減少了設備啟動(dòng)時(shí)的震動(dòng)。運行時(shí)為了在電動(dòng)機中保持恒定的磁通量，按照頻率來(lái)調節外加電壓的幅值，這就要求電壓和頻率的比值為一常數。但對實(shí)際電動(dòng)機來(lái)說(shuō)保持“氣隙”電壓和頻率之比為常數就需要以大于這一比例的數值來(lái)調節外加電壓，以補償定子電流在繞組串聯(lián)阻抗上產(chǎn)生的電壓降。由于該離心機在實(shí)際運行中的工作頻率較高，一般在30~40 Hz之間，因此電壓降實(shí)際只占電動(dòng)機額定電壓的很小的部分。負載變化引起外加電壓幅值所需作的小量調節對電動(dòng)機運行的實(shí)際影響不大，所以負荷在該段頻率調節時(shí)的轉矩性能較好。離心機V/f的曲線(xiàn)如圖4所示。

這樣通過(guò)變頻器對設備工作速度的調節，使離心機達到平穩的工作狀態(tài)，不但延長(cháng)了設備的使用壽命，而且使離心機的運轉速度能夠調節到物料固液分離的最佳狀態(tài)，經(jīng)濟效益十分明顯。

2.2 變頻器選型

變頻器選型須注意電壓等級和最大容量?jì)蓚€(gè)參數。電壓等級是根據使用單位的實(shí)際用電電壓確定，如變頻器電壓等級選得過(guò)低會(huì )減少設備使用壽命，使變頻器自動(dòng)保護功能動(dòng)作，導致設備不能正常運行。如變頻器的電壓等級選得過(guò)高，則相當于減少了變頻器所帶負荷的容量，很不經(jīng)濟，我廠(chǎng)電網(wǎng)電壓長(cháng)期運行在440~448 V之間，所以我們選用電壓等級為440 V的變頻器。

設備廠(chǎng)家在選用電動(dòng)機時(shí)，一般都考慮了短時(shí)過(guò)載等非常情況，留有一定的余量。因此變頻器的容量只須與電動(dòng)機的額定容量相匹配即可。

在使用的過(guò)程中，如果電動(dòng)機實(shí)際負荷過(guò)小，存在大馬拉小車(chē)的情況。所以從經(jīng)濟的角度考慮，可以按照實(shí)際運行時(shí)的電流大小，選擇變頻器的容量。

但此時(shí)需要注意，如果電動(dòng)機長(cháng)期運行在總負荷容量的30%以下的時(shí)候，電動(dòng)機的電抗隨電動(dòng)機的容量而不同，即使負荷相同，電動(dòng)機容量越大其脈動(dòng)電流值也越大，也就是說(shuō)這時(shí)只考慮電動(dòng)機電流是不夠的，還需要考慮脈動(dòng)電流的影響，負荷越輕，這部分的影響就越大。須加大變頻器的容量，才能解決這方面的問(wèn)題。

2.3 離心機負荷的特殊性

由于離心類(lèi)負荷慣性較大，一旦在運行中降低速度，電動(dòng)機的動(dòng)能就會(huì )轉化為電能，該電能反饋回變頻器，造成變頻器內部直流側電壓過(guò)高，引起變頻器保護功能動(dòng)作，致使設備停止工作。這樣一來(lái)，既無(wú)法實(shí)現在運行中對離心機進(jìn)行調速的要求，又會(huì )對變頻器造成傷害，縮短變頻器的使用壽命。所以需要采用適當的措施將這部分能量消耗掉或回饋到電網(wǎng)。一般有電阻制動(dòng)、直流制動(dòng)、PWM 整流等方式，我廠(chǎng)采用了電阻制動(dòng)的方式。

電阻制動(dòng)是在直流側安裝制動(dòng)電阻。當電動(dòng)機以發(fā)電機狀態(tài)運行，產(chǎn)生再生能量，使變頻器內直流中間環(huán)節的直流電壓升高，直流電壓達到使制動(dòng)單元打開(kāi)的狀態(tài)，再生制動(dòng)單元的功率開(kāi)關(guān)導通，電流流過(guò)制動(dòng)電阻，再生能量以制動(dòng)電阻放出熱量的形式消耗掉，使電機的轉速降低，直流側的電壓變低。

而直流側的電壓降低使制動(dòng)單元的功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷，這時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)制動(dòng)電阻。如果負荷未停將繼續累積能量，直流電壓再次升高，當直流側的電壓高到使制動(dòng)單元重新動(dòng)作時(shí)，制動(dòng)單元重復以上開(kāi)關(guān)過(guò)程來(lái)平衡直流電壓，使系統正常運行。當再生能量大時(shí)，再生制動(dòng)單元的開(kāi)關(guān)頻率增高，使制動(dòng)轉矩增大，單位時(shí)間電能轉換為熱能的量增大。制動(dòng)電阻的選擇包括對電阻的阻值和電阻的功率的選擇，前者決定制動(dòng)時(shí)流過(guò)電阻的電流，后者決定電阻容許的發(fā)熱量。由于制動(dòng)電阻通常工作在斷續工作制下，因此對電阻功率的選擇應考慮工作時(shí)間。在選擇制動(dòng)電阻的阻值和功率時(shí)要對系統的制動(dòng)能量進(jìn)行仔細地校核。

制動(dòng)單元在系統中的連接位置如圖5所示。

考慮到連線(xiàn)分布，電阻阻值本身的分散性以及電阻的溫度分散性等因素，在選定電阻值時(shí)要留有余量，一般情況選1.2倍，即選用阻值=計算值伊1.2。

要求放電電流值應小于變頻器的額定電流值，因此有IP=VDC /選定阻值小于變頻器的額定輸出電流值。當考慮到過(guò)負荷的情況時(shí)，需要留一些余量。

當然要求的可靠性越高，余量應該越大，通常情況下余量系數為1.2~2倍。

綜上所述，我們選用的制動(dòng)電阻為40 贅，1 500W。

在離心機減速時(shí)，動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻上，變頻器內部不再產(chǎn)生過(guò)電壓，延長(cháng)了變頻器的使用壽命。

2.4 主電源的干擾和諧波

變頻器從電網(wǎng)吸取非正弦的電流，這將增加輸入電流有效值。非正弦電流通過(guò)傅里葉分析可以展開(kāi)為不同頻率的正弦波，也即以50 Hz 為基頻的不同頻率的諧波電流。諧波不直接影響功率的消耗，但會(huì )增加系統的熱損耗，造成變壓器過(guò)載和電纜溫升。

有些諧波電流還會(huì )干擾接在同一變壓器上的通信設備。選用有中間電路電感線(xiàn)圈的變頻器，能夠抑制減小諧波電流，解決上述問(wèn)題。

2.5 提高系統效率

如何才能提高效率呢?當變頻器的輸出波形越接近正弦波，則系統效率越高。加入LC濾波器可以減少電壓的上升時(shí)間(dv/dt)抑制紋波電流，從而使電壓電流接近正弦。這樣不但提高了系統的效率，還將減少電動(dòng)機的聲頻噪聲。

2.6 電纜的選擇

頻率范圍為150 kHz~30 MHz的電子干擾一般來(lái)自傳導。傳動(dòng)系統中范圍為30 MHz~1 GHz 的空間輻射干擾產(chǎn)生于逆變器，電機電纜及電動(dòng)機。由于電動(dòng)機電壓較高的dv/dt 以及電機電纜上的容性電流產(chǎn)生了漏電流，而且使用屏蔽的電機電纜也會(huì )增加漏電流，如圖6所示。

這是由于屏蔽電纜有較大的對地電容。如果漏電流未被濾掉，將導致在電網(wǎng)中產(chǎn)生5 MHz 以下射頻范圍內的較大干擾。由于漏電流(I1)通過(guò)屏蔽層(I3)返回逆變器單元，從而可知屏蔽電纜上產(chǎn)生較小的電磁場(chǎng)。屏蔽減少了射頻干擾，增加了對主電路的低頻干擾，所以電機電纜必須與變頻器的外殼相連。

連接時(shí)要避免屏蔽端的尾部絞合，這樣會(huì )增加高頻時(shí)的屏蔽阻抗，從而減小了屏蔽的效果，增加了漏電流I4。

如屏蔽電纜用于控制電纜或信號通信及制動(dòng)裝置上，屏蔽兩端均應接外殼。然而這時(shí)有必要切斷屏蔽層以避免電流環(huán)流。

因上述原因，電動(dòng)機的電力電纜一般采用普通電力電纜，截面不應過(guò)大;控制電纜采用屏蔽電纜。

電纜的長(cháng)度盡量縮短，以盡可能地減少變頻器對整個(gè)系統的干擾。

3 變頻調速改造方案

變頻調速運行的主回路和控制電路、參數設置及安裝環(huán)境敘述如下。

3.1 主回路及控制回路

由于這是對舊設備進(jìn)行改造，所以在改造中充分考慮并照顧操作人員的操作習慣，保持原有的工作順序不變。根據操作人員的實(shí)際需要，重新設計了主回路及控制回路。用電位器給定頻率，控制電動(dòng)機的轉速，實(shí)現無(wú)級調速。用一轉速表顯示電動(dòng)機的實(shí)際轉速，給操作人員提供可靠的操作依據。

原來(lái)的工作順序是：

控制按鈕按下寅PLC 發(fā)出運行信號寅接觸器吸合寅主機運行。

改造后順序是：

控制按鈕按下寅PLC 發(fā)出運行信號寅接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合寅變頻器接收運行指令開(kāi)始工作寅主機運行。

為了節省投資，我們最大限度地利用設備的原有電氣元件，改造后只增加了必備的幾樣元件。

改造前的主回路如圖7所示。

改造后的主回路如圖8所示。

3.2 安裝環(huán)境

變頻器主要由各種電子元器件組成，它對于工作環(huán)境的要求較高，當環(huán)境溫度超過(guò)它的最高工作溫度時(shí)，變頻器必然會(huì )降低其持續電流輸出的額定值，如圖9所示。

因為離心機工作現場(chǎng)的環(huán)境較差，為了保證設備可靠運行，延長(cháng)變頻器的使用壽命，我們將變頻器安裝在遠離工作現場(chǎng)的地方。

3.3 參數設置

我廠(chǎng)采用V/f 方式調節控制變頻器，當輸出、輸入頻率比增大時(shí)，輸出電壓的畸變也將顯著(zhù)增大。為了避免變頻器低頻輸出時(shí)電壓波形畸變，引起電動(dòng)機抖動(dòng)、發(fā)熱，損壞電動(dòng)機，我們對輸出頻率進(jìn)行了限制。將輸出頻率下限設置為9 Hz，避免了上述情況的發(fā)生。

針對慣性較大的負荷，設置參數時(shí)可適當地延長(cháng)減速時(shí)間，也能在一定程度上抑制負荷反饋回電能，避免造成變頻器過(guò)電壓。

4 運行情況

改造前，離心機每使用十多天就需要檢修，改造后可連續使用半年以上，延長(cháng)了設備使用壽命。而且離心機的運轉速度能夠調節到海綿銅固液分離的最佳狀態(tài)，海綿銅中含鎳量由原來(lái)的5%~8%降低到3%~4%，鎳金屬的回收增加一倍左右。我廠(chǎng)滿(mǎn)負荷生產(chǎn)時(shí)每年生產(chǎn)海綿銅8 百多t，其中含鎳約37 t，由于鎳金屬的回收增加，每年少損失鎳40%，約15 t，按每噸鎳3萬(wàn)元計算，僅此一項節約的鎳金屬價(jià)值45萬(wàn)元，經(jīng)濟效益十分明顯。