通用变频器的原理及其在选煤厂的应用

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[摘 要]首先介绍了通用变频器的概念、分类和特点，重点阐述了通用变频器的工作原理和各部分的功能，最后介绍了其在选煤厂的应用。

[关键词]变频器；原理；选煤厂

中图分类号：TV448 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0059-01

通用变频器大都是以快速全开关器件（IGBT，GTO晶闸管等）为功率开关器件的电压型变频器。硬件电路包括主电路和控制电路，其中以微机为核心进行设定、控制、显示，对电动机进行正转、反转、加速、减速以及故障处理等。变频器已广泛应用于选煤厂的生产过程中，改善选煤工艺流程，提高生产过程自动化水平。

1. 变频器概述

1.1 变频器的概念

变频器是对交流电动机实现变频调速的装置，它将由电网提供的恒压恒频的交流电变换为新的电压新的频率的交流电，将这个变压变频了的交流电接入到电动机定子绕组中，实现对交流电动机的变频无级调速。

1.2 变频器的类别

1）交-交变频器。把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。

2）交-直-交变频器。先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势，目前普及应用的主要是这一种。

2.通用变频器简介

2.1 通用变频器原理结构

通用变频器由以下五个部分组成：整流和逆变单元、驱动控制单元、中央处理单元、保护与报警单元、参数设定和监视单元。主电路包含电源、整流滤波和逆变单元，主单元输出给电动机。微机控制电路是通用变频器的核心部分，可以设定频率和显示频率，对电动机进行正转、反转、加速、减速以及故障处理等。微机产生的触发信号用于有规律地控制主开关器件的通与断，实现交-直转变和直-交转化。操作面板键盘可以选择操作模式或设定操作模式、预置频率和参数等。变频器的主要功能包括：频率和参数的设定和显示、电动机启动、升速、降速、制动功能的预置、操作模式的选择、过电流保护、过电压保护、短路保护、欠电流保护、欠电压保护、负载保护等。

2.2 各单元功能

1） 整流器。整流器也称为网侧变流器，其作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路又分为可控整流电路和不可控整流电路，可控整流电路的功率因数比较低，不可控整流电路的功率因数比较高。

2） 逆变器。逆变器也称为负载侧的变流器，最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

3） 中间直流环节。由于逆变器的负载为异步电动机，是电感性负载，无论电动机工作于电动状态或制动状态，功率因数总是不可能为1。因此，在中间直流环节和电动机之间存在无功功率的交换，这种无功能量需要靠中间直流环节的储能元件来缓冲，所以中间直流环节又称为中间储能环节或中间滤波环节。

4） 控制电路。控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路和驱动电路等构成。控制电路完成对逆变器的开关控制和频率控制、对整流器的电压控制，并解决电压控制与频率控制的协调问题，同时完成各种保护功能等。

控制方法可以采用模拟控制或数字控制。目前高性能的变频器采用微型计算机进行全数字控制，配之以简单实用的集成硬件电路，整个控制主要靠软件来完成。由于软件的灵活性和计算功能的强大，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。

5） 主电路的检测和保护。变频器应用时，为了人身和设备安全，应对主电路的电压、电流和大功率器件的结温等进行检测，以实现保护。

电压的检测相对简单，间接变频器中整流后的直流侧电压反映了变频器的最高工作电压，因此通常对其进行检测和监控。电压信号可以用电阻分压或传感器等方法获得。通常，从变频器的某一设置参数中可以读取该数值。

变频器应用中的过电流信号主要分为内部直通电流和外部故障电流两类。内部直通电流出现的原因大多是PWM信号生成时，同桥臂的VT1，先关断VT4后导通的无信号死区时间的设置出现了问题，或者是驱动电路的工作出现了问题，外部故障电流通常由于负载过重或短路而出现，故障电流通路相对复杂，在变频器的直流侧和交流侧都可能出现故障信号。

电流检测可使用无感电阻、电流互感器、电流传感器和零序电流检测器等方法。电流检测别需要注意的是检测器件的快速性问题。保护电路从检测、比较、隔离到执行对大功率半导体器件的保护有一定的动作时间，所以每一个保护环节的动作时间都应进行周密的计算和实际测量，确保在器件损坏之前完成保护。

6） 主电路接线端子。主电路接线端子包括三相电源接线端子、电动机接线端子、直流电抗器接线端子、制动单元和制动电阻接线端子。

7） 控制电源接线端子。该端子外接电源给计算机控制单元。

8） 控制端子。用于控制变频器的启动、停止、外部频率信号给定、故障报警输出等。

9） 操作面板。用于设定变频器的控制功能、参数和频率。

3 通用变频器在选煤厂的应用

3.1 变频器在给料机中的应用

在选煤生产中，有时需要通过调整给料机给料。量大小来满足工艺要求，实现给煤量均匀可调。在GZG给料机中，采用变频器调节可实现这一目的，且系统结构简单，调节方便，工作特性可靠。

3.2 控制给料泵转速

加压过滤机矿浆槽液位上限是按过滤性能最差的矿浆所需要的最短时间来确定，矿浆槽液位下限是按能完全浸没过滤元件并能形成最小厚度的滤饼来确定的，加压过滤机矿浆槽液位上限是需要严格控制的，不允许发生溢流。

3.3 控制主轴转速

加压过滤机转速的快慢，决定其压滤时间和干燥时间的长短，从而影响滤饼的厚度和水分。随着压滤时间的增长，则滤饼厚度增加，但是一定时间后，其增长速度逐渐变缓，滤饼的水分随着干燥时间的加长而降低。而一定时间后，水分下降就不明显了。因此，要根据处理能力和产品水分，选择最佳的转速。

在加压过滤机内，主轴转速高低由主轴转速给定表给定，操作者根据实际情况，调整给定频率，控制变频器，来达到调整主轴转速的目的。

4 结语

变频器调速既适用于异步电动机，也适用于同步电动机，能比较理想地工作于机械特性的四个象限，是一种高效率的交流调速方案。但是在选煤生产中使用时，一定要注意安装位置和操作环境，要进行正确的功能设定，特别要注意启动转矩，在使用前要仔细检查所匹配设备的负载转矩特性和电机驱动特性。

实践证明，变频调速技术在选煤生产中的应用是成功的，有其独特的优点和完善的功能，尤其与PLC可编程控制器接口可组成一个闭环调速控制系统，使工艺设备运行方式更趋合理，自动化程度更高。

参考文献

[1] 王树.变频调速系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.