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 型三足式全自動下部卸料離心機，進行海綿銅固液分離，該設(shè)備由主機、輔機、轉(zhuǎn)鼓(以1 200 r/min轉(zhuǎn)動)等組成。傳動系統(tǒng)情況如圖1所示。

由于該離心機是通用設(shè)備，它的主機是Y160L-4 型交流電動機，其轉(zhuǎn)速保持在1 460 r/min，因此不可避免地帶來下述問題：

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到理想的效果;

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

為此我們采用變頻器對離心機的電動機進行控制，結(jié)果使設(shè)備的使用壽命延長了12 倍，金屬回收率提高了1倍左右，僅一年節(jié)約的鎳金屬就價值45萬元。該項改造很好地解決了原來設(shè)備中存在的問題，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(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變頻器中的晶閘管開關(guān)進行導(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控制變頻器的輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，調(diào)速范圍較寬，而且使電動機的效率、功率因數(shù)不下降。因為是控制電壓與頻率的比，所以稱為V/f 控制。

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

既然改變f 就能夠調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，那么保持V/f恒定控制有何意義?它與電動機正常運行又有什么關(guān)系呢?下面以異步電動機的T型等效電路(如圖3所示)來進行說明。

在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏抗的電壓降較小，電動機的端電壓和電動勢近似相等。由式(2)可見，當電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著改變，那么電動機的磁通將會出現(xiàn)飽和或欠勵磁。例如當頻率f降低時，若繼續(xù)保持電動機的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動機的感應(yīng)電動勢E 不變，那么，由式(2)可知，電動機的磁通椎將增大。由于電動機在設(shè)計時磁通常處于接近飽和值，因此磁通的進一步增大將導(dǎo)致電動機出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。磁通出現(xiàn)飽和后將會造成流過電動機的勵磁電流很大，這將增加電動機的銅損耗和鐵損耗。而當電動機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，在改變電動機頻率時應(yīng)對電動機的電壓或電動勢進行控制，以維持電動機的磁通恒定。顯然，若在變頻控制電動機時，能保持V/f 為恒定，可以維持磁通恒定。

由于對電動機的電勢進行檢測比較困難，考慮到在電動機正常運轉(zhuǎn)時電壓和電勢近似相等，由式(2)和式(3)可知，通過控制V/f比一定可以保持磁通恒定。所以變頻器可實現(xiàn)軟啟動，使電動機逐漸加速，減少了設(shè)備啟動時的震動。運行時為了在電動機中保持恒定的磁通量，按照頻率來調(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)。但對實際電動機來說保持“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)值來調(diào)節(jié)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，因此電壓降實際只占電動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(diào)節(jié)對電動機運行的實際影響不大，所以負荷在該段頻率調(diào)節(jié)時的轉(zhuǎn)矩性能較好。離心機V/f的曲線如圖4所示。

這樣通過變頻器對設(shè)備工作速度的調(diào)節(jié)，使離心機達到平穩(wěn)的工作狀態(tài)，不但延長了設(shè)備的使用壽命，而且使離心機的運轉(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兩個參數(shù)。電壓等級是根據(jù)使用單位的實際用電電壓確定，如變頻器電壓等級選得過低會減少設(shè)備使用壽命，使變頻器自動保護功能動作，導(dǎo)致設(shè)備不能正常運行。如變頻器的電壓等級選得過高，則相當于減少了變頻器所帶負荷的容量，很不經(jīng)濟，我廠電網(wǎng)電壓長期運行在440~448 V之間，所以我們選用電壓等級為440 V的變頻器。

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

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

但此時需要注意，如果電動機長期運行在總負荷容量的30%以下的時候，電動機的電抗隨電動機的容量而不同，即使負荷相同，電動機容量越大其脈動電流值也越大，也就是說這時只考慮電動機電流是不夠的，還需要考慮脈動電流的影響，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題。

2.3 離心機負荷的特殊性

由于離心類負荷慣性較大，一旦在運行中降低速度，電動機的動能就會轉(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)電壓過高，引起變頻器保護功能動作，致使設(shè)備停止工作。這樣一來，既無法實現(xiàn)在運行中對離心機進行調(diào)速的要求，又會對變頻器造成傷害，縮短變頻器的使用壽命。所以需要采用適當?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、直流制動、PWM 整流等方式，我廠采用了電阻制動的方式。

電阻制動是在直流側(cè)安裝制動電阻。當電動機以發(fā)電機狀態(tài)運行，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，直流電壓達到使制動單元打開的狀態(tài)，再生制動單元的功率開關(guān)導(dǎo)通，電流流過制動電阻，再生能量以制動電阻放出熱量的形式消耗掉，使電機的轉(zhuǎn)速降低，直流側(cè)的電壓變低。

而直流側(cè)的電壓降低使制動單元的功率開關(guān)關(guān)斷，這時沒有電流流過制動電阻。如果負荷未停將繼續(xù)累積能量，直流電壓再次升高，當直流側(cè)的電壓高到使制動單元重新動作時，制動單元重復(fù)以上開關(guān)過程來平衡直流電壓，使系統(tǒng)正常運行。當再生能量大時，再生制動單元的開關(guān)頻率增高，使制動轉(zhuǎn)矩增大，單位時間電能轉(zhuǎn)換為熱能的量增大。制動電阻的選擇包括對電阻的阻值和電阻的功率的選擇，前者決定制動時流過電阻的電流，后者決定電阻容許的發(fā)熱量。由于制動電阻通常工作在斷續(xù)工作制下，因此對電阻功率的選擇應(yīng)考慮工作時間。在選擇制動電阻的阻值和功率時要對系統(tǒng)的制動能量進行仔細地校核。

制動單元在系統(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(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。當考慮到過負荷的情況時，需要留一些余量。

當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，我們選用的制動電阻為40 贅，1 500W。

在離心機減速時，動能消耗在制動電阻上，變頻器內(nèi)部不再產(chǎn)生過電壓，延長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。非正弦電流通過傅里葉分析可以展開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，但會增加系統(tǒng)的熱損耗，造成變壓器過載和電纜溫升。

有些諧波電流還會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，解決上述問題。

2.5 提高系統(tǒng)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(tǒng)效率越高。加入LC濾波器可以減少電壓的上升時間(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的電子干擾一般來自傳導(dǎo)。傳動系統(tǒng)中范圍為30 MHz~1 GHz 的空間輻射干擾產(chǎn)生于逆變器，電機電纜及電動機。由于電動機電壓較高的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(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。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。

連接時要避免屏蔽端的尾部絞合，這樣會增加高頻時的屏蔽阻抗，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裝置上，屏蔽兩端均應(yīng)接外殼。然而這時有必要切斷屏蔽層以避免電流環(huán)流。

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

電纜的長度盡量縮短，以盡可能地減少變頻器對整個系統(tǒng)的干擾。

3 變頻調(diào)速改造方案

變頻調(diào)速運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

由于這是對舊設(shè)備進行改造，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(jù)操作人員的實際需要，重新設(shè)計了主回路及控制回路。用電位器給定頻率，控制電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無級調(diào)速。用一轉(zhuǎn)速表顯示電動機的實際轉(zhuǎn)速，給操作人員提供可靠的操作依據(jù)。

原來的工作順序是：

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觸點閉合寅變頻器接收運行指令開始工作寅主機運行。

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，它對于工作環(huán)境的要求較高，當環(huán)境溫度超過它的最高工作溫度時，變頻器必然會降低其持續(xù)電流輸出的額定值，如圖9所示。

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

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，當輸出、輸入頻率比增大時，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電壓波形畸變，引起電動機抖動、發(fā)熱，損壞電動機，我們對輸出頻率進行了限制。將輸出頻率下限設(shè)置為9 Hz，避免了上述情況的發(fā)生。

針對慣性較大的負荷，設(shè)置參數(shù)時可適當?shù)匮娱L減速時間，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(xù)使用半年以上，延長了設(shè)備使用壽命。而且離心機的運轉(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的5%~8%降低到3%~4%，鎳金屬的回收增加一倍左右。我廠滿負荷生產(chǎn)時每年生產(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3萬元計算，僅此一項節(jié)約的鎳金屬價值45萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。