變頻器在神東集團(tuán)各選煤廠的應(yīng)用及問題

文/李兆坤

變頻器在神東集團(tuán)各選煤廠的應(yīng)用及問題

文/李兆坤

隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器得到了非常廣泛的應(yīng)用。選煤廠應(yīng)用了大量的變頻器，主要控制皮帶、泵類、風(fēng)機(jī)類負(fù)載。變頻器有很多種品牌，每個品牌都有很多種系列，因此在選型時對技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，合理的選擇相應(yīng)的變頻器規(guī)格容量變得尤為重要。同時變頻器及其附屬設(shè)備的調(diào)試、日常維護(hù)及維修工作量較大，給選煤廠日常維護(hù)造成一定難度。本文針對變頻器的以上問題，對現(xiàn)有變頻器各品牌分析利弊，選擇合理的變頻器類型；又對現(xiàn)場的實際應(yīng)用情況進(jìn)行分析，從變頻原理、應(yīng)用環(huán)境、電網(wǎng)質(zhì)量、使用維護(hù)等方面，對選煤廠變頻器的常見問題分析并提出合理解決方法，最大限度的提高設(shè)備使用效率。

變頻器 問題分析 問題處理

1 變頻器調(diào)速原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），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、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

2 變頻器元件作用

整流電路：由六個整流二極管組成不可控全波整流橋。對于380V的額定電源，一般二極管反向耐壓值應(yīng)選1200V，二極管的正向電流

為電機(jī)額定電流的1.414-2倍。

電容C1：是吸收電容,整流電路輸出是脈動的直流電壓，必須加

以濾波。

變壓器：一種常見的電氣設(shè)備，可用來把某種數(shù)值的交變電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的交變電壓，也可以改變交流電的數(shù)值及變換阻抗或改變相位。

壓敏電阻：有三個作用,一過電壓保護(hù),二耐雷擊要求,三安規(guī)測試需要。

熱敏電阻：過熱保護(hù)。

霍爾：安裝在UVW的其中二相,用于檢測輸出電流值。選用時額定電流約為電機(jī)額定電流的2倍左右。

充電電阻：是防止開機(jī)上電瞬間電容對地短路，燒壞儲能電容開機(jī)前電容二端的電壓為0V；所以在上電（開機(jī)）的瞬間電容對地為短路狀態(tài)。如果不加充電電阻在整流橋與電解電容之間，則相當(dāng)于380V電源直接對地短路，瞬間整流橋通過無窮大的電流導(dǎo)致整流橋炸掉。一般而言變頻器的功率越大，充電電阻越小。充電電阻的選擇范圍一般為：10-300Ω。

儲能電容：又叫電解電容，在充電電路中主要作用為儲能和濾波。PN端的電壓電壓工作范圍一般在 430VDC～700VDC 之間，而一般的高壓電容都在 400VDC左右，為了滿足耐壓需要就必須是二個400VDC的電容串起來作800VDC。容量選擇≥60uf/A

均壓電阻：防止由于儲能電容電壓的不均燒壞儲能電容；因為二個電解電容不可能做成完全一致，這樣每個電容上所承受的電壓就可能不同，承受電壓高的發(fā)熱嚴(yán)重（電容里面有等效串聯(lián)電阻）或超過耐壓值而損壞 。

C2電容：吸收電容,主要作用為吸收IGBT的過流與過壓能量。

直-交部分：VT1-VT6逆變管（IGBT絕緣柵雙極型功率管）：構(gòu)成逆變電路的主要器件，也是變頻器的核心元件。把直流電逆變頻率，幅值都可調(diào)的交流電。

續(xù)流二極管：作用是把在電動機(jī)在制動過程中將再生電流返回直流電提供通道并為逆變管VT1-VT6在交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，提供通道。

控制部分:電源板、驅(qū)動板、控制板（CPU板）

電源板：開關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動電路、檢測電路及風(fēng)扇等提供低壓電源,開關(guān)電源提供的低壓電源有：±5V、±15V、±24V向CPU其附屬電路、控制電路、顯示面板等提供電源。

驅(qū)動板：主要是將CPU生成的PWM脈沖經(jīng)驅(qū)動電路產(chǎn)生符合要求的驅(qū)動信號激勵I(lǐng)GBT輸出電壓?？刂瓢澹–PU板）：也叫CPU板相當(dāng)人的大腦，處理各種信號以及控制程序等。

3 變頻器的種類

按供電電壓分：低壓變頻器、中壓變頻器、高壓變頻器

按功能分：通用變頻器、恒功率變頻器、恒轉(zhuǎn)矩變頻器、平方轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能型變頻器、高頻變頻器、防爆型變頻器等

按變頻器的輸出功率分：小功率變頻器、中功率變頻器、大功率變頻器

變頻器根據(jù)不同方面分為若干種類，中心選煤廠在使用過程中大致根據(jù)以上幾個方面選擇，其中主要應(yīng)用中、低壓通用類和恒轉(zhuǎn)矩變頻器，根據(jù)負(fù)載類型選擇功率不同的輕、重載荷變頻器。

4 變頻器在中心選煤廠的應(yīng)用

神東集團(tuán)各選煤廠配備有大量變頻器，主要控制皮帶、泵類、風(fēng)機(jī)類負(fù)載，比如輸送帶、入料泵、介質(zhì)泵、壓風(fēng)機(jī)等，用于調(diào)節(jié)頻率和設(shè)備需求，還有就是為大功率電機(jī)節(jié)能。由于選煤廠設(shè)備多種多樣，所用電壓各有不同，各選煤廠所用變頻器以中、低壓變頻器為主。其中大部分又以ABB、施耐德、西門子品牌變頻器為主要設(shè)備，其中ABB變頻器多為ACS800系列變頻器，施耐德變頻器多為Altivar 71和Altivar 78系列變頻器，西門子變頻器多為6SE70系列變頻器。ABB變頻器對電機(jī)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，各個電壓等級和功率等級齊全，內(nèi)置簡易PLC，變頻器尺寸小、噪音低、發(fā)熱量小，但是ABB變頻器無中文操作界面，對于現(xiàn)有工人使用和維護(hù)造成了一定麻煩，且操作界面復(fù)雜；施耐德變頻器專門生產(chǎn)了重載型的Altivar 71系列，且具有全中文的顯示操作界面，使用和維護(hù)方便，但施耐德變頻器體積相對較大，發(fā)熱量較高，噪聲較大；西門子變頻器通訊較穩(wěn)定，保護(hù)性能高，同功率等級基本負(fù)載電流相對小一些，但西門子啟動性能較差，體積較大，內(nèi)部元件較復(fù)雜，維護(hù)不方便，無中文顯示界面。

5 變頻器在生產(chǎn)中存在的問題分析

5.1 變頻器沒有實現(xiàn)變頻調(diào)速功能，只起到軟啟動作用

各廠現(xiàn)有皮帶類負(fù)載基本無自動調(diào)速功能；風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備調(diào)節(jié)措施主要為節(jié)流調(diào)節(jié)，即利用調(diào)節(jié)閘板或者閥門的開度而改變流量。這種方法雖然簡單，但對設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性影響較大，容易發(fā)生“喘振”現(xiàn)象，而且這種方法根本談不上節(jié)能，因為設(shè)備轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)壓（水流）特性不變，調(diào)節(jié)閘板或閥門減少流量，能量被閘板和閥門浪費(fèi)了。變頻器只起到了一個軟啟動的作用，并沒有實現(xiàn)變頻調(diào)速。

對于皮帶類負(fù)載，比如矸石皮帶，矸石的量是與煤質(zhì)有關(guān)的，煤質(zhì)好矸石就少，煤質(zhì)差矸石就多，所以只要選煤，矸石皮帶就不能停止，但皮帶總保持同一種速度，又比較浪費(fèi)。這時我們可以利用變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，使皮帶在矸石少時速度降低，矸石多時提高帶速。利用現(xiàn)有的皮帶秤的稱重傳感器輸出的模擬信號，結(jié)合PLC程序，將模擬信號傳遞給變頻器，變頻器通過改變頻率改變電機(jī)速度，從而調(diào)節(jié)帶速。

對于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，比如介質(zhì)泵，介質(zhì)比重大，濃度高，揚(yáng)程高，只靠調(diào)節(jié)入口閘門滿足入口壓力使介質(zhì)泵工況極差，長期滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行振動大，啟動時間長，功耗大，溫升偏高，設(shè)備磨損加大，維修量加大。此時利用變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，使旋流器始終處于合理的工作狀態(tài)。通過在介質(zhì)泵入口安裝壓力測量變送器，測量入口壓力，并轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，傳給PLC，由PLC控制變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速。其原理圖如圖1所示。

圖1：介質(zhì)泵變頻調(diào)速過程

5.2 只需軟啟動的設(shè)備使用變頻器

神東各選煤廠有些設(shè)備是不需要變頻調(diào)速，且不需要保持連續(xù)運(yùn)行，比如刮板輸送機(jī)、上倉的膠帶輸送帶等，但這些設(shè)備仍使用變頻器進(jìn)行啟動，此時變頻器只起到軟啟動器的作用，沒有發(fā)揮變頻器的功能，造成了資源的浪費(fèi)。這些設(shè)備將變頻器更換為軟啟動器更合理，將余下的變頻器用到需要變頻調(diào)速的場所。

變頻器較啟動器價格昂貴，且屬于較精密設(shè)備，對環(huán)境的要求也較高，保養(yǎng)維護(hù)較軟啟動器麻煩，所以盡量不要使用變頻器當(dāng)軟啟動器使用。

5.3 過熱造成變頻器損壞現(xiàn)象嚴(yán)重

神東各選煤廠由于過熱原因造成變頻器損壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重，尤其是在夏季。造成過熱故障原因主要有以下幾個方面：

（1）容量偏小，此時，需要增加容量；

（2）元器件損壞，包括功率器件和檢測器件損壞，此時，要及時更換元器件；

（3）負(fù)載過負(fù)荷或者存在機(jī)械卡阻現(xiàn)象，此時，要及時處理負(fù)載部分；

（4）散熱不良，包括灰塵多，風(fēng)扇故障，風(fēng)道堵塞，此時，要定期檢查維護(hù)，對變頻器定期除塵，在夏季應(yīng)增加除塵次數(shù)。

另外，對于散熱不良問題，應(yīng)采取增加外置風(fēng)扇和風(fēng)道、空調(diào)的措施。通過加裝溫控器來自動調(diào)節(jié)外置風(fēng)扇的啟停，既能達(dá)到加強(qiáng)散熱的效果，又可以減少不必要的浪費(fèi)。對于配電室內(nèi)溫度較高的，增加外置風(fēng)扇后散熱效果也不是很理想，此時，應(yīng)考慮增加額外的空調(diào)將室內(nèi)溫度排出。但有時增加空調(diào)成本較高且不利于自動調(diào)節(jié)，可以增加一外置風(fēng)道，直接將變頻器溫度排至室外，這樣既降低變頻器溫度，也不會是室內(nèi)溫度過高。

5.4 電網(wǎng)電壓不穩(wěn)造成變頻器損壞現(xiàn)象嚴(yán)重

神東各選煤廠均存在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來了很大的影響。

電網(wǎng)電壓過低，造成變頻器失壓，如果變頻器的逆變器件為GTR時，一旦失壓或停電，控制電路將停止向驅(qū)動電路輸出信號，使驅(qū)動電路和GTR全部停止工作，電動機(jī)將處于自由制動狀態(tài)；逆變器件為IGBT時，在失壓后，將允許變頻器繼續(xù)工作一個短時間td，若失壓時間to＜td，變頻器將平穩(wěn)過度運(yùn)行；若失壓時間to＞td ，變頻器自我保護(hù)停止運(yùn)行。所以盡量選用逆變器件為IGBT的變頻器，盡量延長失壓保護(hù)的延時，以減少失壓對生產(chǎn)造成的影響。

電網(wǎng)電壓過高，容易引起電動機(jī)磁路飽和，溫升過高，損壞絕緣，影響變頻器直流回路濾波電容器壽命，嚴(yán)重時引起電容器爆裂。引起此類故障時，應(yīng)先檢查變頻器容量，若容量不足，應(yīng)適當(dāng)放大容量；檢查變頻器的減速時間是否設(shè)置過短，如過短，延長減速時間；檢查電源電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，若由于供電引起電壓過高切無法降低，在變頻器的輸入端的用空氣開關(guān)和壓敏電阻（380V用821K，660V用1410K）組合，在空氣開關(guān)上加上壓敏電阻，這樣當(dāng)有高壓電時壓敏電阻就會短路，空氣開關(guān)跳閘，能有效保護(hù)變頻器。此種方法在中心各選煤廠暫時還沒有應(yīng)用，我覺得可以利用此方法對變頻器加以保護(hù)。

6 變頻器的日常維護(hù)方法

（1）設(shè)專人每個季度對選煤廠變頻器進(jìn)行清掃、吹灰，保持變頻器內(nèi)部的清潔及風(fēng)道暢通，同時維護(hù)變頻器后，要認(rèn)真檢查有無遺漏的螺釘及導(dǎo)線等，防止小金屬物品造成變頻器短路事故，檢查螺絲釘、螺栓以及即插件等是否松動，輸入輸出電抗器的對地及相間電阻是否有短路現(xiàn)象。

（2）每月檢查一次變頻器周圍環(huán)境，是否清潔、干燥，是否在變頻器附近放置雜物，通過鍵盤面板查閱變頻器的運(yùn)行參數(shù)，掌握變頻器日常運(yùn)行中電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)。

（3）測量變頻器（含電動機(jī)）絕緣時，應(yīng)當(dāng)使用500V兆歐表。如僅對變頻器進(jìn)行檢測，要拆去所有與變頻器端子連接的外部接線。清潔器件后，將主回路端子全部用導(dǎo)線短接起來，將其與地用兆歐表試驗，如果兆歐表指示在5MΩ以上，說明是正常的，這樣做的目的是減少搖測次數(shù)。

（4）每季度對于連續(xù)運(yùn)行的變頻器進(jìn)行專業(yè)化點(diǎn)檢，檢查變頻器運(yùn)行時是否有異?，F(xiàn)象。變頻器的日常點(diǎn)檢檢查工作的內(nèi)容主要包括：

1.環(huán)境溫度是否正常，要求在-10～+40℃范圍內(nèi)，以25℃左右為好。濕度是否符合要求，門窗通風(fēng)散熱是否良好；變頻器下進(jìn)風(fēng)口、上出風(fēng)口是否積塵或因積塵過多而堵塞。

2.變頻器顯示面板顯示的輸出電流、電壓、頻率等各種數(shù)據(jù)是否正常，控制按鍵和調(diào)節(jié)旋鈕是否失靈。

3.顯示部分是否正常，顯示面板顯示的字符是否清楚，是否缺少字符。

4.用測溫儀器檢測變頻器是否過熱，是否有異味。

5.變頻器風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，有無異響，過熱、變色、異味、異聲和異常振動，散熱風(fēng)道是否通暢。

6.變頻器運(yùn)行中是否有故障報警顯示。

（5）備用變頻器及備件。備用變頻器執(zhí)行每半年進(jìn)行上電一次，一次上電時間不少于3小時。

7 總結(jié)

變頻器能達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等，因而變頻器在洗煤廠得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)工況和品牌對比合理的選擇變頻器類型，提高設(shè)備的利用率。通過對中心選煤廠變頻器各種使用中存在問題分析，提出合理的處理問題方法，能夠物盡其用，減少資源浪費(fèi)，并能更快更好的處理設(shè)備故障，減少故障停機(jī)時間，更大的提高生產(chǎn)效率。

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作者單位神華杭錦能源有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市 017400

李兆坤（1982-），男，安徽省濉溪縣人。碩士研究生?，F(xiàn)為神華杭錦能源有限責(zé)任公司工程師。研究方向機(jī)電一體化。