變頻技術(shù)在設(shè)備改造中的應(yīng)用

1 概述

我廠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(jī)，進(jìn)行海綿銅固液分離，該設(shè)備由主機(jī)、輔機(jī)、轉(zhuǎn)鼓(以1 200 r/min轉(zhuǎn)動(dòng))等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)情況如圖1所示。

由于該離心機(jī)是通用設(shè)備，它的主機(jī)是Y160L-4 型交流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)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(jù)我廠工藝流程調(diào)節(jié)合適的轉(zhuǎn)速，物料的固液分離不能達(dá)到理想的效果;

2)因?yàn)槲覐S的物料組成較為特殊，以至離心機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行中震動(dòng)很大，因此使設(shè)備使用壽命大大縮短。

為此我們采用變頻器對(duì)離心機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，結(jié)果使設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)了12 倍，金屬回收率提高了1倍左右，僅一年節(jié)約的鎳金屬就價(jià)值45萬(wàn)元。該項(xiàng)改造很好地解決了原來(lái)設(shè)備中存在的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2 變頻器的原理及相關(guān)設(shè)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(gòu)成。它的基本原理是用一種特定的方式對(duì)變頻器中的晶閘管開(kāi)關(guān)進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，直接把輸入的電壓波形“大致”調(diào)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(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。我廠選用的變頻器采用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(jī)的磁通保持一定，調(diào)速范圍較寬，而且使電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷号c頻率的比，所以稱為V/f 控制。

為什么控制f就能夠調(diào)整轉(zhuǎn)速呢?異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由電源頻率和電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)決定，在改變頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨著改變，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即存在滑差。滑差的大小和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載大小關(guān)系為

既然改變f 就能夠調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，那么保持V/f恒定控制有何意義?它與電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行又有什么關(guān)系呢?下面以異步電動(dòng)機(jī)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(jī)額定運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)定子電阻和漏抗的電壓降較小，電動(dòng)機(jī)的端電壓和電動(dòng)勢(shì)近似相等。由式(2)可見(jiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源頻率變化時(shí)，若電動(dòng)機(jī)電壓不隨著改變，那么電動(dòng)機(jī)的磁通將會(huì)出現(xiàn)飽和或欠勵(lì)磁。例如當(dāng)頻率f降低時(shí)，若繼續(xù)保持電動(dòng)機(jī)的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 不變，那么，由式(2)可知，電動(dòng)機(jī)的磁通椎將增大。由于電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)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(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。磁通出現(xiàn)飽和后將會(huì)造成流過(guò)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流很大，這將增加電動(dòng)機(jī)的銅損耗和鐵損耗。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁時(shí)，將會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，在改變電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓或電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行控制，以維持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定。顯然，若在變頻控制電動(dòng)機(jī)時(shí)，能保持V/f 為恒定，可以維持磁通恒定。

由于對(duì)電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)比較困難，考慮到在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓和電勢(shì)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(xiàn)軟啟動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)逐漸加速，減少了設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的震動(dòng)。運(yùn)行時(shí)為了在電動(dòng)機(jī)中保持恒定的磁通量，按照頻率來(lái)調(diào)節(jié)外加電壓的幅值，這就要求電壓和頻率的比值為一常數(shù)。但對(duì)實(shí)際電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)保持“氣隙”電壓和頻率之比為常數(shù)就需要以大于這一比例的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)外加電壓，以補(bǔ)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(jī)在實(shí)際運(yùn)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(jī)額定電壓的很小的部分。負(fù)載變化引起外加電壓幅值所需作的小量調(diào)節(jié)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際影響不大，所以負(fù)荷在該段頻率調(diào)節(jié)時(shí)的轉(zhuǎn)矩性能較好。離心機(jī)V/f的曲線如圖4所示。

這樣通過(guò)變頻器對(duì)設(shè)備工作速度的調(diào)節(jié)，使離心機(jī)達(dá)到平穩(wěn)的工作狀態(tài)，不但延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，而且使離心機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度能夠調(diào)節(jié)到物料固液分離的最佳狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)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(jí)和最大容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。電壓等級(jí)是根據(jù)使用單位的實(shí)際用電電壓確定，如變頻器電壓等級(jí)選得過(guò)低會(huì)減少設(shè)備使用壽命，使變頻器自動(dòng)保護(hù)功能動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行。如變頻器的電壓等級(jí)選得過(guò)高，則相當(dāng)于減少了變頻器所帶負(fù)荷的容量，很不經(jīng)濟(jì)，我廠電網(wǎng)電壓長(zhǎng)期運(yùn)行在440~448 V之間，所以我們選用電壓等級(jí)為440 V的變頻器。

設(shè)備廠家在選用電動(dòng)機(jī)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(jī)的額定容量相匹配即可。

在使用的過(guò)程中，如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷過(guò)小，存在大馬拉小車的情況。所以從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，可以按照實(shí)際運(yùn)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(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在總負(fù)荷容量的30%以下的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)的電抗隨電動(dòng)機(jī)的容量而不同，即使負(fù)荷相同，電動(dòng)機(jī)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(jī)電流是不夠的，還需要考慮脈動(dòng)電流的影響，負(fù)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(jī)負(fù)荷的特殊性

由于離心類負(fù)荷慣性較大，一旦在運(yùn)行中降低速度，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能就會(huì)轉(zhuǎn)化為電能，該電能反饋回變頻器，造成變頻器內(nèi)部直流側(cè)電壓過(guò)高，引起變頻器保護(hù)功能動(dòng)作，致使設(shè)備停止工作。這樣一來(lái)，既無(wú)法實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行中對(duì)離心機(jī)進(jìn)行調(diào)速的要求，又會(huì)對(duì)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(dāng)?shù)拇胧⑦@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，我廠采用了電阻制動(dòng)的方式。

電阻制動(dòng)是在直流側(cè)安裝制動(dòng)電阻。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，產(chǎn)生再生能量，使變頻器內(nèi)直流中間環(huán)節(jié)的直流電壓升高，直流電壓達(dá)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(dǎo)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(jī)的轉(zhuǎn)速降低，直流側(cè)的電壓變低。

而直流側(cè)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(fù)荷未停將繼續(xù)累積能量，直流電壓再次升高，當(dāng)直流側(cè)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(fù)以上開(kāi)關(guān)過(guò)程來(lái)平衡直流電壓，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)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(zhuǎn)矩增大，單位時(shí)間電能轉(zhuǎn)換為熱能的量增大。制動(dòng)電阻的選擇包括對(duì)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(xù)工作制下，因此對(duì)電阻功率的選擇應(yīng)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(duì)系統(tǒng)的制動(dòng)能量進(jìn)行仔細(xì)地校核。

制動(dòng)單元在系統(tǒng)中的連接位置如圖5所示。

考慮到連線分布，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(jì)算值伊1.2。

要求放電電流值應(yīng)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(dāng)考慮到過(guò)負(fù)荷的情況時(shí)，需要留一些余量。

當(dāng)然要求的可靠性越高，余量應(yīng)該越大，通常情況下余量系數(shù)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(jī)減速時(shí)，動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻上，變頻器內(nèi)部不再產(chǎn)生過(guò)電壓，延長(zhǎng)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(tǒng)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(shè)備。選用有中間電路電感線圈的變頻器，能夠抑制減小諧波電流，解決上述問(wèn)題。

2.5 提高系統(tǒng)效率

如何才能提高效率呢?當(dāng)變頻器的輸出波形越接近正弦波，則系統(tǒng)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(tǒng)的效率，還將減少電動(dòng)機(jī)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(dǎo)。傳動(dòng)系統(tǒng)中范圍為30 MHz~1 GHz 的空間輻射干擾產(chǎn)生于逆變器，電機(jī)電纜及電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)電壓較高的dv/dt 以及電機(jī)電纜上的容性電流產(chǎn)生了漏電流，而且使用屏蔽的電機(jī)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(duì)地電容。如果漏電流未被濾掉，將導(dǎo)致在電網(wǎng)中產(chǎn)生5 MHz 以下射頻范圍內(nèi)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(duì)主電路的低頻干擾，所以電機(jī)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(hào)通信及制動(dòng)裝置上，屏蔽兩端均應(yīng)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(jī)的電力電纜一般采用普通電力電纜，截面不應(yīng)過(guò)大;控制電纜采用屏蔽電纜。

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

3 變頻調(diào)速改造方案

變頻調(diào)速運(yùn)行的主回路和控制電路、參數(shù)設(shè)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(duì)舊設(shè)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(xí)慣，保持原有的工作順序不變。根據(jù)操作人員的實(shí)際需要，重新設(shè)計(jì)了主回路及控制回路。用電位器給定頻率，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。用一轉(zhuǎn)速表顯示電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，給操作人員提供可靠的操作依據(jù)。

原來(lái)的工作順序是：

控制按鈕按下寅PLC 發(fā)出運(yùn)行信號(hào)寅接觸器吸合寅主機(jī)運(yùn)行。

改造后順序是：

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

為了節(jié)省投資，我們最大限度地利用設(shè)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(duì)于工作環(huán)境的要求較高，當(dāng)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(xù)電流輸出的額定值，如圖9所示。

因?yàn)殡x心機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較差，為了保證設(shè)備可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)變頻器的使用壽命，我們將變頻器安裝在遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場(chǎng)的地方。

3.3 參數(shù)設(shè)置

我廠采用V/f 方式調(diào)節(jié)控制變頻器，當(dāng)輸出、輸入頻率比增大時(shí)，輸出電壓的畸變也將顯著增大。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(jī)抖動(dòng)、發(fā)熱，損壞電動(dòng)機(jī)，我們對(duì)輸出頻率進(jìn)行了限制。將輸出頻率下限設(shè)置為9 Hz，避免了上述情況的發(fā)生。

針對(duì)慣性較大的負(fù)荷，設(shè)置參數(shù)時(shí)可適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)減速時(shí)間，也能在一定程度上抑制負(fù)荷反饋回電能，避免造成變頻器過(guò)電壓。

4 運(yùn)行情況

改造前，離心機(jī)每使用十多天就需要檢修，改造后可連續(xù)使用半年以上，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。而且離心機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度能夠調(diào)節(jié)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。我廠滿負(fù)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(jì)算，僅此一項(xiàng)節(jié)約的鎳金屬價(jià)值45萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。