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水泥企業變頻器的選擇 摘 要:
水泥企業為達到提高生產效率和節約能量的目的，必須正確選擇系統配置，特別是選擇這種系統中的電動機和變頻器，涉及可靠性、性能和價格三方面的因素。
1．變頻調速系統中電動機的選擇
變頻調速系統主要包括異步電動機、變頻器、控制環節、負載及傳動機構。
在選擇電動機時不僅要考慮驅動機械負載和使其加速所需的電機容量，還應根據生產環境選擇應的電機防護等級。另外，由于這時電機不是由電網供電，而是由變頻器供電(即在變頻調速運行時，大部分時間里該電動機不是工作在該電機設計制造的額定工況)，會帶來諧波、電磁干擾，也許會出現局部過電壓、過電流等問題。同時，也須考慮讓變頻器盡量減少諧波、電磁干擾等帶來的不良影響。
1.1電動機容量的選擇
(1)選擇因素
水泥企業電機負載均很大，加之工藝過程波動很大。在選擇電機容量時，應考慮以下因素：
①電機的容量應大于負載所需的功率。
②電機的最大轉矩應大于負載的啟動轉矩，并要有足夠的裕量。
③若電源電壓下降了10％時，電機仍能輸出足夠的轉矩。
④電機應在規定的溫升范圍內使用。
⑤針對負載的性質，選擇適合的電機運行方式。
實際上，在選擇用于變頻調速系統的電動機時，要在考慮有諧波條件下，電動機的電氣、發熱和機械出力三個方面的綜合狀況。特別在中、大型電動機中，要考慮過電壓毛刺對電動機絕緣的影響，諧波成分對電動機溫升的影響，轉速調低(低頻下)對電動機通風冷卻的影響，在調速條件下對軸力矩的影響。
2.變頻調速系統中變頻器的選擇
隨著電力電子技術、計算機技術、控制技術的發展，變頻器的功能、性能得到了很大的提高。根據其性能及控制方式不同可分為：通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次為v／f(常熟控制)控制、電壓型PWM控制、矢量控制等。用戶可根據生產的需要，在變頻器性能規格、容量等方面進行選擇。
2.1變頻器種類的選擇
根據負載機械的工作特點，結合對調速范圍、調速精度和經濟性的要求，用戶可以選擇不同種類的變頻器來控制調速運行。
(1)通用型變頻器
一般采用v／f控制方式，適用于風機、泵類負載場合。其節能效果顯著，調速范圍和調速精度較低，因此成本較低。
(2)多功能通用變頻器
多功能變頻器主要適應工業自動化，自動倉庫、升降機、搬運系統、小型CNC機床、擠壓成型機、紡織及包裝機械等高速、高效需求。水泥企業一般采用通用型變頻器較多，多功能通用變頻器應用較少。
2.2 變頻器的規格和指標
在選擇變頻器時，會接觸到許多生產廠家提供的各類變頻器的產品樣本，這些樣本主要介紹變頻器的系列型號、特點以及各種功能和指標。用戶根據自己的實際需要，就這些產品的性能、指標進行比較、篩選，以確定適合于自己的變頻器。
(1)型號
一般為廠家自定的系列名稱，包括電壓等級和可適配電機的容量。
(2)電壓級別
根據各國的工業標準或用途不同，其電壓級別也各不相同，在選變頻器時，首先應注意其電壓級別是否與電源電壓和電機的電壓相適合。
(3)最大適配電機
在最大適配電機一欄中，通常給出最大適配電機的容量。應該注意這個容量一般以4極普通異步電動機為對象，而同容量的6極以上電機和變極電機等電機的額定電流比4極普通異步電動機的額定電流大，因此，在驅動4極以上電機時就不能單單以此項指標選擇變頻器，同時還要核對變頻器的額定輸出電流是否滿足電動機的額定電流。
(4)電源
變頻器對電源的要求主要有電壓／頻率、允許電壓變化率和允許頻率變化率等三個方面。通常對電壓及頻率變化率的要求分別為±l0％和5％。如果用戶安裝變頻器的所在地點的供電電源電壓波動超出通常規定的范圍(或上限或下限)，應同供貨廠家討論。
(5)控制特性
①.電壓型還是電流型。
②.PAM、PWM或SPWM調節方式。
③.V／f控制，轉差頻率控制方式或矢量控制。
④.輸出頻率范圍，一般最低為0.1Hz，最高頻率因變頻器性髓而異，該調速范圍應滿足用戶的應用需要，同時要了解在所用系統中，在該頻率范圍內是否有機械共振或出現轉速振蕩的可能。
⑤.輸出頻率分辨率，設定頻率的分辨率，輸出頻率的精度。
⑥.頻率設定方式。有自身的參數設定，電位器設定，外部(0～5V、4～20mA)設定以及上位機發送的RS－232和RS－485等信號設定。
⑦.電壓／頻率特性。變頻器中存有多種V／f特性，如轉矩增強，平方降轉矩負載節能特性等供用戶選擇。
⑧.載頻頻率。載頻頻率的高低標志著輸出波形的質量，早期的GTR型變頻器的載頻頻率為1～3kHz，目前常采用IGBT，載頻頻率可達10～20kHz，另外還有同步調制和異步調制之分。
⑨.過載能力。變頻器所允許的過載電流以額定電流的百分數和允許時間來表示。一般變頻器的過載能力為額定電流的l50％，持續60s。
⑩.加減速時間設定。加速、減速時間作為基本功能可分別設定。高性能變頻器還具有曲線加速，多擋加、減速時間設定以及外部控制加減速功能。
⑾.制動方式。變頻器的電氣制動一般分為能耗制動或再生反饋制動。能耗制動時不加外接制動電阻的場合制動力約為20％，加外接制動電阻時制動力可達100％。能耗制動用于制動頻率不高的場合。從節能的角度來看，再生反饋制動是最好的方式，但是相對較為復雜，價格也較高，主要用于頻繁啟動、制動的場合。
⑿.運行控制方式。變頻器應具有標準的有觸點控制的啟動、停止、正轉、反轉輸入功能，同時還可對停止的方式進行設定，如自由停止還是加速停止。另外通常還具有通過參數設定或由外部信號選擇多級調速運轉功能。
⒀.變頻器的保護。欠壓保護、過壓保護、過流保護、失速保護、過熱保護以及再啟動功能等。
2.3變頻器容量的選擇
在確定系統中變頻器的容量時應考慮電動機的容量、電動機的額定電流、加速時間等幾方面因素。下面就如何選定通用型變頻器容量做一些簡單介紹。
2.5高壓變頻器的選型
近年來水泥行業隨著電價的不斷攀升，高壓變頻節能技術越來越受到人們的親睞，訂貨數量不斷增加。本文從電壓等級、拓撲結構、控制方式等幾方面提出建議，供水泥企業選型時參考。
(1)電壓等級
我國高壓電機常用電壓等級為6kV和10kV，另有少量3kV等級的高壓電機。絕大部分的高壓變頻器輸入都有一個隔離變壓器，所以變頻器輸入電壓通常能滿足不同電網電壓等級的要求。變頻器的輸出電壓等級選擇通常按照技改項目和新建項目有不同的選擇原則。對于技改項目，本來電機工頻運行，由于通常不會更換電機，加裝變頻器后，要求變頻器的輸出電壓和電網電壓一致，通常為6kV或10kV。對于新建項目，如果不需要工頻旁路，電機電壓可以配合變頻器進行優化，如對于中小功率可選擇2.3kV或3kV輸出電壓等級，以降低成本。如果需要工頻旁路，建議變頻器輸出電壓等級和電網電壓一致，否則旁路比較復雜。
(2)電壓源型和電流源型
目前絕大部分的高壓變頻器均屬于交直交型變頻器，按中間直流環節所用儲能元件的不同，可分為電壓源型和電流源型。
目前主要的電流源型變頻器為SGCT-PWM電流源型變頻器。電流源型變頻器的優點是能量可以回饋電網，可以實現四象限運行。電源側常采用三相橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波較大，為了降低諧波成分，可采取多重化，有時還必須加輸入濾波裝置。輸入功率因數一般較低，通常要附加功率因數補償裝置。由于不像電壓源變頻器，在直流環節的大濾波電容能存儲較大的能量，電流源變頻器對電網電壓波動較為敏感，電網電壓波動較大時容易停機，是個比較大的缺點。
若整流電路也采用SGCT做電流PWM控制，可以得到較低的輸入電流諧波和較高的輸入功率因數，并且可省去輸入隔離變壓器。但PWM整流會導致變頻器效率有一定程度下降。
(3)V/F控制和無速度傳感器矢量控制
無速度傳感器矢量控制技術能在基本不增加硬件成本的情況下，大大提高變頻器的性能。即使用在風機水泵等穩態和動態要求相對較低的負載場合，無速度傳感器矢量控制具有的轉矩限幅、快速轉速跟蹤再起動等功能有效地防止加速過程的過電流跳機和減速過程中的過電壓跳機和其它不正常的停機現象，對于保證變頻器的可靠運行有非常重要的意義。目前如西門子、Rockwell、通用廣電、三墾等廠家都能提供無速度傳感器矢量控制的高壓變頻器。ABB能提供采用直接轉矩控制的高性能變頻器。無速度傳感器矢量控制通常可達到的技術指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，起動轉矩150%。
(4)對電網諧波污染和輸入功率因數
對電網的諧波污染主要取決于整流電路的結構和特性。減少電網諧波污染的主要方式有兩種：多重化整流和PWM整流。單元串聯多電平高壓變頻器通常整流脈沖數較多，對電網諧波污染較小。為了減少對電網的諧波污染，電流源型變頻器通常采用18脈沖整流。三電平電壓源型變頻器至少需要12脈沖以上，要求高時可采用24脈沖。
電壓源型高壓變頻器由于采用二極管不可控整流，在整個運行范圍內都有較高的功率因數，基波功率因數一般可保持在0.95以上，一般也不必設置功率因數補償裝置。電流源型變頻器采用晶閘管整流時，由于晶閘管觸發角導致的電流滯后，功率因數較低，且會隨著轉速的下降而降低，往往需要功率因數補償裝置。PWM整流能有效減少諧波，功率因數可調，且能量可雙向流動。缺點是成本增加，效率下降。
(5)輸出波形及對電機適用性
輸出諧波對電機的影響主要有：引起電機附加發熱，導致電機的額外升溫，電機往往要降額使用，諧波還會引起電機轉矩脈動，噪音增加。dv/dt和共模電壓會影響電機絕緣。
普通的二電平和三電平PWM電壓源型變頻器由于輸出電壓跳變臺階較大，相電壓的跳變分別達到直流母線電壓和直流母線電壓的一半，會產生較大的dv/dt。較大的dv/dt會影響電機的絕緣。所以這種變頻器一般需要特殊設計的電機，電機絕緣必須加強。如果要使用普通電機，必須附加輸出dv/dt濾波器。
單元串聯多電平高壓變頻器由于輸出電壓臺階多、等效開關頻率高，輸出波形得到極大改善。輸出諧波、噪聲、dv/dt和轉矩脈動均很小。所以這種變頻器不加濾波器就可用于任何普通的高壓電機,且不必降額使用。
當沒有輸入變壓器時，共模電壓會直接施加到電機上，增加繞組對地的絕緣應力，引起絕緣擊穿，影響電機的使用壽命（也有采用共模電抗器方案，一定程度上減緩共模電壓的影響）。如果設置輸入變壓器，則共模電壓由輸入變壓器和電機共同來承擔，且主要由輸入變壓器承擔。
(6)國產品牌和進口品牌
現在，隨著國內高壓變頻器行業的迅速發展，國產主流高壓變頻器在功能、可靠性等方面已經達到國際水平，在成本和服務方面則占據很大優勢，水泥行業在中小功率的常規應用（風機、水泵）方面，國產高壓變頻器已能完全滿足用戶要求。 |
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