變頻調(diào)速在水泵循環(huán)中的應(yīng)用探討

張旭

摘 要：變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，它的主電路一般采用交-直-交電路。通過對(duì)變頻器控制原理，控制方式的探討，以及變頻節(jié)能效果的詳細(xì)分析比較，說明水泵采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。并通過對(duì)變頻器運(yùn)行可靠性分析，說明了在應(yīng)用中的可操作性及推廣的可行性。

關(guān)鍵詞：水泵；變頻原理；V/F控制；節(jié)能原理；變頻器的可靠性

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）10-0051-02

1 概述

把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率，電壓可調(diào)的交流電源供給異步交流電動(dòng)機(jī)。變頻器主要由整流，濾波，再次整流（直變交），制動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)單元等微處理器組成?，F(xiàn)在，可以結(jié)合PLC和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在鋁冶煉行業(yè)中，一般都采用大電流低電壓的二極管三相橋式全控整流電路，采用水水冷的冷卻方式，主水采用經(jīng)過過濾的高純水，通過板式交換器與付水進(jìn)行熱交換來調(diào)節(jié)溫度。而付水由循環(huán)水站供給，但循環(huán)水站距離較遠(yuǎn)而且無人值守，所以該循環(huán)水站水泵必須采用遠(yuǎn)程控制。變頻器的遠(yuǎn)程控制器是一種實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程操作的智能儀表，通過RS485網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)，停止，加速，減速，并實(shí)時(shí)顯示變頻器的工作頻率，轉(zhuǎn)速等運(yùn)行信息，而遠(yuǎn)程采用計(jì)算機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)水泵的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制。

2 變頻節(jié)能相關(guān)原理探討

2.1 變頻原理

從理論上我們可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速N與供電頻F有以下關(guān)系：N=60×f（1-S）/P

其中：P—電機(jī)極數(shù) S—轉(zhuǎn)差率

由式可知轉(zhuǎn)速N與F成正比，如果不改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)數(shù)，只要改變頻率F即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)F在0～50Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬，變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，是一種高效，高性能的調(diào)速手段。

2.2 節(jié)能調(diào)速原理

一般使用的水泵，它們的額定水量都超過實(shí)際需要，又因工藝需要，往往在運(yùn)行中通過改變水量的閥門來調(diào)節(jié)的。方法雖然簡(jiǎn)單，但是浪費(fèi)電能較大，屬于不經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方式。從流體力學(xué)原理可知，水泵的流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率的關(guān)系如下：當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率迅速下降。通過流體力學(xué)定律可知，泵類設(shè)備屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H及軸功率p具有如下關(guān)系。

Q∝n，H∝n2 p∝n3即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速度的立方成正比。

2.3 變頻器的電壓與頻率成比例的改變?cè)?/p>

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時(shí)將燒壞電機(jī)，因此，頻率與電壓要成比例的改變，即改變頻率的同時(shí)，控制變頻器的輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通過保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就是節(jié)能型變頻器。電動(dòng)機(jī)使用工頻電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，電壓下降則電流增加，但對(duì)于變頻器驅(qū)動(dòng)，如果頻率下降時(shí)電壓下降，即電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電流也下降。

2.4 采用變頻器調(diào)速，輸出轉(zhuǎn)矩分析

當(dāng)變頻方式運(yùn)行時(shí)，隨著電機(jī)的加速，應(yīng)提高相應(yīng)頻率和電壓，啟動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下。但用工頻啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為6～7倍的額定電流。采用變頻器傳動(dòng)，可以平滑地起動(dòng)，起動(dòng)電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%～120%額定轉(zhuǎn)矩。變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用于工頻電源驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。例如，工頻起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊，而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率時(shí)逐步加到電極上的，所以，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要小于工頻起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩值。在運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小而減小。

2.5 變頻器采用V/F控制的特點(diǎn)

V/F控制是在改變電動(dòng)機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的電壓，使電動(dòng)機(jī)磁通過保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，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頻率之比，稱為V/F控制.V/F控制的特點(diǎn)：（1）低速性能較差，轉(zhuǎn)速極低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服較大的靜摩擦力，不能恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。（2）是無法實(shí)際控制電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。由于V/F是開環(huán)控制，由異步電動(dòng)機(jī)的特性曲線可知，設(shè)定值為額定頻率，也就是理想空載轉(zhuǎn)速，而電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)差率所決定，所以V/F控制方式無法準(zhǔn)確控制電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。（3）頻率下降時(shí)，完全成比例的降低電壓，那么由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩有減少的傾向。因此，在低頻時(shí)要使輸出電壓略高一些，以便獲得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（4）恒磁通調(diào)速，因?yàn)樵O(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)，總是讓電動(dòng)機(jī)在額定頻率和電壓下工作時(shí)的氣隙磁通接近磁通飽和值，因此，在電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，要保持每極磁通量為額定值不變.如果過分增大磁通又會(huì)是鐵心過分飽和，從而導(dǎo)致勵(lì)磁電流急劇增加.繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組嚴(yán)重過熱而損壞電動(dòng)機(jī)，故而希望在頻率變化時(shí)，仍保持磁通恒定，即實(shí)現(xiàn)恒磁通調(diào)速。

2.6 V/F控制變頻器的起動(dòng)頻率

啟動(dòng)頻率是指變頻器啟動(dòng)時(shí)的初始輸出頻率，設(shè)定合適的啟動(dòng)頻率，可以有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)于某些靜止?fàn)顟B(tài)下摩擦力較大的現(xiàn)象，在啟動(dòng)瞬間可獲得一些沖擊。啟動(dòng)頻率持續(xù)時(shí)間，是指變頻器在啟動(dòng)頻率下保持運(yùn)行的時(shí)間。可以看出，在變頻器啟動(dòng)升速過程中，當(dāng)給定頻率小于啟動(dòng)頻率時(shí)，變頻器輸出為0。

3 變頻器節(jié)能探討

4 變頻器的運(yùn)程控制

什么是變頻器的運(yùn)程控制。在許多場(chǎng)合，電動(dòng)機(jī)與操作室距離較遠(yuǎn)，如將變頻器安裝在現(xiàn)場(chǎng)，不便與工人的觀察與操作，如安裝在室內(nèi)，則動(dòng)力線拉的距離太遠(yuǎn)，成本高且對(duì)變頻器本身及系統(tǒng)中其他設(shè)備造成干擾。變頻器運(yùn)程控制器是一種實(shí)現(xiàn)變頻器運(yùn)程操作的智能儀表。通過以RS485網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)，停止，加速，減速，并實(shí)時(shí)顯示變頻器的工作頻率，轉(zhuǎn)速等運(yùn)行信息。

現(xiàn)在使用的變頻器是采用交—直—交方式（V/F變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率，電壓可調(diào)的交流電源供給電動(dòng)機(jī)。

變頻器主要有整流，濾波，再次整流（直變交）制動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)單元等微處理單元組成。

5 變頻器的可靠性分析

5.1 模塊的過熱保護(hù)

變頻器的故障率隨溫度升高而成抬數(shù)的上升，使用壽命隨溫度升高而成抬數(shù)的下降，環(huán)境溫度每升高10度，變頻器壽命減半。變頻器內(nèi)部設(shè)備的檢測(cè)元件，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，變頻器將跳閘。

5.2 過電流保護(hù)功能。

（1）電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)。（2）變頻器輸出側(cè)短路。（3）運(yùn)行過程中加速過電流。（4）變頻自身引起的過電流。

5.3 過載保護(hù)功能

過載保護(hù)功能是保護(hù)電機(jī)過載的，從根本上說，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)的目的，就是使電動(dòng)機(jī)不因過熱而燒壞，依據(jù)是電動(dòng)機(jī)的溫升不應(yīng)該超過其額定值。

5.4 過電壓保護(hù)功能。

（1）電網(wǎng)電壓過高時(shí)，跳閘保護(hù)。

（2）降速過電壓。

5.5 欠電壓保護(hù)

（1）電網(wǎng)電壓過低或缺相。

（2）變頻器整流橋燒壞。

變頻器在上述情況下都能可靠的進(jìn)行跳閘，能夠起到可靠的保護(hù)作用。

6 結(jié)語

由于變頻器供電的特殊性，在設(shè)計(jì)中首先要考慮的是電動(dòng)機(jī)能與變頻器很好的進(jìn)行匹配，并且在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行。在使用中根據(jù)負(fù)荷情況合理安排水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，確實(shí)提高變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]許村家.變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].防爆電動(dòng)機(jī)，2008，（3）.

[2]楊明浩.變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的特性及應(yīng)用探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016，（2）.

[3]李崇堅(jiān).交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的探討[J].電力電子，2004，（2）.