变频器用调速在工艺生产中的应用

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[摘 要] 本文主要介绍了变频器的工作原理和控制方式，文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器 的工作原理和控制方式作了系统的分析，并介绍了变频器在生产中的应用情况及效果。

[关键词]变频器；工作原理；应用效果

中图分类号：TM921.51 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）18-0363-01

近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。选择性能好的变频器应用到工业控制中，对实现生产的节能降耗能起到非常重要的作用。

随着计算机控制技术的日益成熟，近来以计算机内围骇心，采用变频器为内控回路的智能化新型控制器‘启动平稳’已普遍应用于改领域，它以控制方式灵活，简便，对系统冲击小且控制元件不易埙坏以及维护方便等诸多优点正逐步取代传统的控制装置，用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。

一、变频器的调速

电机的转速=60（秒）*频率（Hz）/（电机的磁极对数-电机的转差率），即

其中：n―电机的转速；f―电源频率；p―电机磁极对数；s―电机的转差率。电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，rpm/min也可表示为rpm。电机的旋转速度同频率成比例同步电机的转差矩为0，同步电机的转速=60（秒）*频率（Hz）/电机的磁极对数，异步的转速比同步电机的转速低。

由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的。由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极，电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。

另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备，改变频率和电压是最优的电机控制方法

如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。

二、变频器的散热

变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题啊。

在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的，变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响

当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。

根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。

如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70%的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。

还可以用隔离板把本体和散热器隔开，使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。

变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差。

一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。

三、安装环境

由于变频器集成度高，整体结构紧凑，自身散热量较大，因此对安装环境的温度、湿度和粉尘含量要求高。有的的变频器安装于操作室内，变频器运行环境差，操作室粉尘多，夏季室内温度高，曾多次发生变频器故障。在对操作室进行密封和加冷却设施后，情况大为改善。后来因操作室集中空调冷凝水较多，距离柜子太近，发生了一起变频器控制板元件损坏的故障。可见在安装变频器的同时，必须为变频器提供一个好的运行环境。

四、变频调速技术化水系统除盐水泵中的应用

除盐水泵采用恒速交流电动机拖动，通过调节出口阀门开度大小来调节流量，这势必造成电能的浪费。若利用变频调速技术，以调节电动机的转速的方法取代调节阀门，将达到节约电能的目的。因为这类负载的输入功率和转速的三次方成正比，利用调速使流量减少，则异步电动机的输入电功率按立方规律下降，从而使耗电量大大降低，节能效果十分显著。

1、水泵变频调速的改造

二级除盐水泵有4台，正常生产时两开两备。除盐水泵电动机的额定电压交流380V，额定功率110kW，额定电流199A。

四台水泵由于两备两开，两台运行时，供水量过大，一台运行时，供水量又不足，为了达到节电效果，将一台电机改为变频电机，带有变频器的一台水泵长期运行，通过改变电机转速来达到工艺的要求。根据实际流量状况，自动保证母管压力，提高自动控制程度。

根据上述改造要求，我们进行了充分的市场调研、产品对比和性能分析，最后决定以托威达MFC710系列变频器为核心，采用交流开环变频调速装置构成自动流量调节系统，系统构成方框图如图所示。将调节水泵出口阀门开度变成调节水泵用电动机的转速而达到自动调节流量和稳定母管压力的目的。在图中，构成了流量的闭环检测，变送器将母管压力信号转换为电压信号，加到控制器的反馈输入端，控制器的另一端加母管压力给定值，其输出作为速度给定值加到变频器输入端，通过变频器调节电动机的转速，调节水泵流量，使母管压力稳定在给定值范围，实现水泵的变频节能改造。在安装变频器后，一切操作将简单化，只需将起动、运行、母管压力信号输入变频器，系统将由变频器自动控制母管压力，且在流量、压力等诸多因素变化时，变频器将自动调整，以保证最佳的运行状态。

图除盐水泵流量调节系统方框图

2、投资效益分析

（1）、节能原理

水泵在运行过程中，出口阀门开度都在50%～80%范围内变化。阀门的部分关闭造成大量的节能损耗，电机也相应需对阀门阻力做功，这部分就是水泵运行中损耗的能量。安装变频器后，水泵阀门全部打开，通过转速的输出来调节流量，节能损耗的部分将被节省。

由于水泵是变转矩负载，其转速n与流量Q、压力P、轴功率N的关系式如下：Q1/Qe=n1/neP1/Pe=（n1/ne）2N1/Ne=（n1/ne）3

当n1/ne=0.8时，N1/Ne=51.2%，即N1=0.512Ne；即：当实际转速为额定转速的80%时（即输出40HZ时），电机所消耗的功率为额定功率的51.2%，约节电50%左右。

（2）经济效益

需购置托威达MFC710系列变频器1台，电缆等附件，合计投资约13万元。

变流量系统的平均工作流量为额定流量的85%；则计算节电率为38.6%，扣除由于其它原因所引起的效率损失和原系统的节电率，节电率按35%计算。

1）、现每月耗电量（设水泵负载率80%）

110KW*24h*30日*80%=63360KWh

2）、每月可实现节电量

63360KWh*35%=22176KWh

3）、每月节约电费（电费按0.58元计算）

22176KWh*0.58元/KWh=12862.08元

4）、投资回报期

130000/12862.08=10.1（月）

五、结束语

变频器调速这一技术正越来越广泛的深入到各行各业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势，必将成为电力拖动的中枢设备。应用变频器调速技术也是企业改造挖潜、增加企业效益的一条有效途径。尤其是在化工行业中高耗能、低产出的设备较多，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济效益。

参考文献

[1] 吕汀，石红梅.编.《变频技术原理与应用》.机械工业出版社.

[2] 王廷才.主编.《变频器原理及应用》.机械工业出版社.

[3] 何超.主编.《交流变频调速技术》.北京航空航天大学出版社.

[4] 张选正，张金远.《变频器应用经验》.国电力出版社，2006.

[5] 吴忠智，吴加林.《变频器应用手册》.机械工业出版社，2007.