交流变频技术在平方减转矩负载中的应用

(中冶东方工程技术有限公司，内蒙古 包头 014010)
摘 要：文章介绍了交流变频技术在平方减转矩负载中的应用情况,对该类应用的特点及选型作了简要的阐述。
关键词：变频器；交流调速；平方减转矩负载
中图分类号：TM34  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)08—0122—02
1 概述

随着大功率电力电子器件和微控制器及其控制技术的发展，结合交流电动机的交流变频调速技术越来越显示出其全面的竞争优势，它以体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、操作方便等优点，优于以往的多种调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、液力偶合器调速等，因此，变频器的发展十分迅速，在工业领域中的应用日益广泛。随着变频器的成本日趋降低，利用变频器驱动交流电动机所构成的调速系统，将越来越发挥出巨大的作用。而在工程中以风机、泵类为代表的平方减转矩负载约占到整个用电设备的用电量的30%～40%。所以不断总结交流变频调速技术在平方减转矩负载中的应用特点，具有非常重要的现实意义。并且随着我国近年来“节能减排”战略的实施，相信交流变频技术在以后的项目中会得到越来越多的应用，特别是各类风机和水泵。
2 交流变频器的主要作用及其为用户可带来的潜在利益
2.1 节约能源

利用变频器实现调速运行，在风机、水泵等机械设备运行过程中，节能效果最为明显。在工程中对于风机、水泵这类平方减转矩负载，即随着转速的降低，负载转矩按速度的平方成比例地减少。其40%～50%的电能都消耗在调节风门、阀门及管网的压力降上，又由于需用流量常有变化或工程设计的裕量较大等原因造成机泵的实际总效率通常很低。所以在工程设计中如能很好地解决平方减转矩负载的节能问题，对于提升系统的整体节能潜力具有重要的意义。
2.2 有效地减小冲击电流，降低电机启停过程对电网和工艺管网的冲击

标准电机用工频电源直接起动时，通常起动电流为电机额定电流的6～7倍，电机最大起动转矩也可以达到额定转矩的1.5～2.5倍左右。但是交流变频器驱动的电机，其起动及加速特性由于受到变频器过电流能力制约，其加速时的电流将保持在额定电流的150%（有时120%）以下，并且可以方便地实现电机的软启动和软停功能 ，因而可以有效地减少电动机在起动、停止时对电网的冲击，改善电源容量裕度。尤其是电动机容量大，而变压器容量相对较小时，这种效果更加明显。并且由于交流变频器驱动时的平均加速转矩比工频电源直接起动时的要小，而且比较平稳，将有效降低电机启停过程对工艺管网的冲击。
2.3 可以方便地实现电动机的正、反向运行

由于变频器都具有正、反向输入端子，因此，电动机的正、反向运行不需要主回路交流接触器之间交替切换，减少故障维修，减轻工人的劳动强度。此功能对于一些空冷风机几乎是一个必须的功能，而且还经常要求风机在正转停止后快速制动进入反转。
3 平方减转矩负载的特点

交流变频器在平方转矩类负载的应用中，主要包括鼓风机、引风机、水泵等，其主要的目的在于节约能源。
根据风机、水泵类负载的特性，我们知道：
Q₁/Q₂ = n₁/n²
H₁/H₂ = (n₁/n₂)²
P₁/P₂ = (n₁/n₂)³

即风机或水泵流量（Q）与转速（n）成正比；压力或扬程（H）与转速（n）的二次方成正比；轴功率（P）与转速（n）的三次方成正比。以上流量、压力、轴功率与转速的关系，也正是风机、水泵类负载采用交流变频调速控制系统节能的基本原理。因此，我们可以得到在理想状态下，流量、压力、轴功率与转速的关系表。

从下表可见，当需求流量或风量下降时，调节转速可以节约大量能源。例如，当需求流量或风量减少1/2时，通过变频调速，从理论上讲，仅需要额定功率的12.5%，即可节约87.5%的能源。如采用传统的调节风门挡板开度大小的方式调节风量，虽然也可相应降低能耗，但风机长期工作在额定转速状态下，能量有相当部分损失在挡板上，因此，其节能效果明显不如变频调速控制系统。

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4 应用中须注意的一些问题
4.1 缺相保护问题

变频器本身有各种保护功能，而且功能齐全。但在实际操作中，经常发现变频器的缺相保护功能并不完善。变频器在运行过程中如果发生缺相，它能起保护作用,但如果送电时发生缺相，则变频器本身不能检测和保护。一旦启动变频器，在启动初始低速运行阶段，由于单相电流过大，极易造成变频器烧损。所以，在设计变频器控制电路时，应设计缺相保护电路，以防止不必要的损失。
4.2 远距离控制的可靠性问题

变频器的控制端子均为弱电模拟量信号或开关量信号，当采用远距离控制时，应充分考虑线路的抗干扰问题和损耗问题。尤其是当采用开关量信号进行加、减速控制时，要使开关量输出尽可能与变频器安放在一起，以防无源节点的线路阻抗和干扰造成控制不灵敏或失效。
4.3 低压断路器的选择

由于变频器具有软启动、无冲击的特性，所以低压断路器可以按变频器的容量选择，不需要考虑电动机启动时的冲击电流。
4.4 低压接触器的选择

如果应用对安全要求比较高时，要求在急停、变频器或电机故障不但要切除故障，还要隔离故障，以防系统意外自动再投入保护人身及设备的安全。
4.5 过载热继电器的选择

对于变频器控制单台电动机来说，不需要安装过载热继电器，直接采用变频器的过载保护即可。但若同时控制多台电动机，则每台电动机过载保护要单独计算和选择。选择时，要根据电动机低速运行时的工作电流，而不是根据电动机的额定电流，因为此电流要比电动机的额定电流大许多。
4.6 电缆、导线的选择

变频器的进线可以按变频器的容量进行选择。但变频器的出线电缆由于变频器在逆变时谐波的作用要适当加大截面，增加载流量，尤其对于长期低速运行的电动机，变频器的输出电流是相当大的，有可能大于电动机的额定电流。所以，对于长期低速运行的电动机，既要注意解决电动机的散热问题，也要注意电缆的选择。
4.7 变频器的选择

选择变频器时，只有变频器额定输出电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键指标，在考虑温度、海拔高度及调制频率造成的变频器降容的情况下，负载总电流不得大于变频器额定输出电流，是选择变频器的第一原则。

相对于异步电动机，由电力半导体组成的变频器的短时过载能力相对较低，通常为额定输出电流的1.2或1.5倍、1分钟。在一些起动困难的应用场合中，如风机，要特别注意变频器的短时过载能力或容量能否满足负载的起动需求，这是选择变频器的第二个原则。
4.8 交流输入电抗器或直流电抗器的选择

交流输入电抗器主要用于减少变频器电源设备上的浪涌，抑制高次谐波。有下列情况时，宜安装交流输入电抗器：
4.8.1 当变频器使用在配电变压器容量大于500kVA，且变压器容量大于变频器容量10倍以上时。
4.8.2 当配电变压器输出三相电压不平衡度大于3%时。
4.8.3 当配电变压器接有功率因数补偿电容的情况。

直流电抗器主要用于改善输入电源的功率因数，抑制高次谐波。在这两方面直流电抗器的效果要好于交流输入电抗器，且更经济，安装所需的空间也更省。
4.9 出线电抗器的选择

出线电抗器具有改善变频器输出电流波形，降低噪声，延长变频器的出线电缆长度的作用。特别是对于变频器与电机之间距离较远（>150m）的情况，应考虑配置出线电抗器。
4.10 变频柜安装散热方面的考虑

一般而言，电控柜的自然散热在多数情况下都不能满足变频器的散热要求，这就需要设立柜排风机以便强制通风。在变频器最高允许工作温度为50℃，周围环境最高温度为40℃的情况下，可按散掉1kW的热量，需0.1m³/s柜排风机的估算公式来选择柜排风机，当然这里需要散掉的总热量包括柜内所有电器元器件的发热损耗功率。
5 结束语

交流变频技术在平方减转矩负载中具有极大的应用潜力，经济效益非常客观。在我国工业企业、民用建筑中，风机、水泵的用量很大，如都能进行电动机变频调速改造，工艺设备生产厂家和设计单位如能在设计中也考虑采用交流变频技术，对于降低我们的单位产品的能耗指标，增强企业的产品竞争优势，提高我国的能源整体利用水平都具有十分重要的意义。
［参考文献］
［1］ 韩安荣.通用变频器及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2004260～262.
［2］ 吴忠智，黄立培，吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南［M］. 北京：机械工业出版社，200394～99.

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