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第5期 2008年10月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 5 Oct. 2008 技术交流 文章编号1671 - 251X200805 - 0100 - 04 浅谈矿用变频器的选择与使用维护 陈和权 天地常州自动化股份有限公司,江苏 常州 213015 摘要文章首先从交流电动机标称功率、 电动机额定电流、 电动机实际运行电流以及转矩过载能力等方 面阐述了如何根据实际工程需要选择变频器的问题,然后介绍了变频器对电动机的要求,最后介绍了在变频 器安装调试时应注意的问题。 关键词矿用变频器;选用;标称功率;额定电流;转矩;电源控制;补偿 中图分类号TD614 文献标识码B Probe on Selection and Maintenance for Mine2used Frequency Converter CHEN He2quan Tiandi Changzhou Automation Co. , Ltd. , Changzhou 213015 , China Abstract Firstly , the paper described problems of how to select frequency converter according to require of practical engineering from nominal power of AC motor , current rating of motor , practical current of motor and torque overload capability. It also introduced the demands of frequency converter to motor. Finally , it introduced the noticed problems in installation and debugging for frequency converter. Key wordsmine2used frequency converter , selection , nominal power , current rating , torque , power control , compensation 收稿日期2008 - 05 - 23 作者简介陈和权1967 - ,男,工程硕士,高级工程师,1992年 毕业于西安科技大学电气工程系,现主要从事矿用变频器及软启动 器产品方面的研究开发工作。 0 引言 随着节能降耗在煤矿的普及,矿用变频器在煤 矿胶带输送机、 水泵、 风机等煤矿主要用电设备上使 用得越来越多。笔者根据多年的开发与推广应用经 验,对矿用变频器的选用、 变频器对电动机的要求及 变频器的维护使用注意事项作一介绍,希望对变频 器用户有所帮助。 1 变频器的选用 在确定采用变频器驱动电动机后,首先要选择 变频器品牌,不同品牌的变频器在投入使用初期故 障率存在较大差异,一般以预期使用寿命、 设计选型 人员的经验为主要依据。品牌确定以后,具体的规 格型号主要依据变频调速方案、 负载类型以及所需 要的附加功能确定。根据具体工程情况,可以有以 下几种变频器规格选择方式。 1. 1 按照标称功率选择 按照标称功率选择方式只适合作为初步投资估 算依据,在不清楚电动机额定电流时使用。作为估 算依据,在一般恒转矩负载应用时,可以放大一级估 算,例如110 kW电动机选择132 kW的变频器。对 于二次方转矩负载,一般可以直接按照功率作为最 终选择依据,且不必放大,这是因为二次方转矩负载 的定子电流对频率敏感,当发现实际电动机电流超 过变频器电流时,只要将频率上限限制小一点即可, 而最大风量降低很有限,对应用影响甚微。 二次方转矩负载类型主要集中在水泵和风机 中,工业中使用的离心式水泵和风机都属于该类。 不过,需要注意,象塞柱式的往复泵和计量泵、 齿轮 泵、 隔膜泵以及罗茨鼓风机等正排量水泵和风机,并 不属于二次方转矩负载一般归纳为反抗性恒转矩 负载类。二次方转矩负载的一个非常明显的共同 点是机械轴功率随转速下降而急剧下降,调速系统 输入的电功率也急剧下降,这就是该类负载使用变 频调速系统后能大量节能的基本依据。 1. 2 按照电动机额定电流选择 对于多数恒转矩负载,可以按照电动机额定电 流选择变频器规格 Ievf≥K1Ied1 式中Ievf为变频器额定电流;Ied为电动机额定 电流;K1为电流裕量系数。 根据应用情况,K1取1. 05～1. 15 ,一般取较小 值即可满足要求,在电动机持续负载率超过80 时,则应取较大值,因为多数变频器的额定电流都是 以持续负载不超过80 来确定的。另外,启动停止 频繁的时候也应该考虑取较大值,这是因为启动过 程以及制动电路的停止过程,电流短时超过额定电 流,频繁启动停止则相当于增加了负载率。多数情 况下,按照式1计算结果,变频器的功率与电动机 功率都是匹配的,不需要放大,避免造成不必要的投 资浪费。 1. 3 按照电动机实际运行电流选择 按照电动机实际运行电流选择方式主要用于改 造工程,对于原来电动机已经处于大马拉小车的情 况,可以选择功率比较合适的变频器 Ievf≥K2Id2 式中Ievf为变频器额定电流;Id为电动机实测 运行电流;K2为电流裕量系数。 考虑测量误差,K2可取1. 1～1. 2 ,在启动停止 频繁时应该取较大值;Id指的是电动机实测稳态运 行电流,不包括启动停止和负载突变时的动态电流, 实测时应该针对不同工况作多次测量,取其中最大 值。按式2计算,可能会出现变频器的标称功率小 于电动机额定功率的情况。由于降低变频器容量不 仅会降低稳定运行时的功率,也会降低最大过载转 矩,降低太多可能导致启动困难,所以按式2计算 后,实际选择时,恒转矩负载的变频器标称功率不应 小于电动机额定功率的80 ,而二次方转矩负载的 变频器标称功率不应小于电动机额定功率的65 。 如果应用时对启动时间有要求,则通常不应该降低 变频器功率。当变频器功率选择小于电动机额定功 率时,不能按照电动机额定电流进行保护,这时可不 更改变频器内的电动机额定电流,直接使用默认值, 变频器将会把电动机当做标称功率电动机进行保 护。 1. 4 按照转矩过载能力选择 变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过 载能力低,因此,按常规配备变频器时,电动机转矩 过载能力不能充分发挥作用。 在大转矩惯量情况下,同样大小的电磁转矩下 的加速度较低,如果要求较快的加速度,则需要加大 电磁转矩;对于转矩波动或者冲击转矩负载,瞬时转 矩可能达到额定转矩的2倍以上,为防止保护动作, 必须加大最大电磁转矩。为了充分发挥电动机转矩 过载能力,按照式3选择变频器 Ievf≥K3λdIed/λvf3 式中λd为电动机转矩过载倍数;λvf为变频器 短时过载倍数;K3为电流/转矩系数;Ievf和Ied与 式1中的定义一样。 电动机的转矩过载倍数可以从样本查得。变频 器电流1 min过载倍数为150 时,最大瞬时过载 电流倍数为200 ,可用的短时过载倍数可按1. 6～ 1. 7选取;由于磁通衰减和转子功率因数降低,最大 转矩的电流过载倍数要大于转矩过载倍数,因此,电 流/转矩系数应该大于1 ,可以选择为1. 1～1. 15。 对于矢量控制和直接转矩控制,磁通基本不会衰减, 因此,电动机实际转矩过载能力大于样本值,电流/ 转矩系数可同样选择。 按照转矩过载能力选择变频器,系统投资成本 将大幅增加,因此,如果不是很有必要,不要轻易采 用该方式选取变频器。 2 电动机的适用性问题 2. 1 新设计系统的电动机选择 通用变频器是针对交流异步电动机设计的,由 于变频调速时不再需要考虑改变转子回路电阻,没 有必要采用绕线转子异步电动机。由于多数通用变 频器的预置电动机模型都是四极电动机模型,因此, 四极鼠笼交流异步电动机是较合适的选择。 普通笼型电动机是空气自然冷却,外壳冷却依 靠端部的风扇叶片,内部空气流通依靠转子两端的 搅拌叶片,叶片都固定在转子轴上随转子转动,随着 转子转速降低,端部风扇叶片逐步失去散热能力,转 速进一步降低时,内部搅拌叶片也失去使空气流通 的能力。因此,对于二次方转矩负载,由于随着转速 降低转矩也降低,发热程度降低,普通笼型电动机是 最佳选择,但建议不要在40 同步转速以下长期运 行;对于恒转矩负载,如果满负载长期运行以连续 运行超过10 min ,或断续运行时暂载率超过40 为 1012008年第5期陈和权浅谈矿用变频器的选择与使用维护 准的转速在60 同步转速以上,使用普通笼型电 动机是合适的选择;满载长期运行时的转速在25 ～60 同步转速之间,使用带有外部强制风冷的笼 型电动机是合适的选择,这种电动机也就是常说的 变频专用电动机;如果满载长期运行的转速达到 25 同步转速以下,则应该使用完全的强制冷笼型 电动机,有的称这种电动机为矢量控制变频器专用 电动机。 当电动机用于超过同步转速运行的情况时,除 电磁转矩输出能力由于弱磁原因要降低外,由于转 速增加会增加轴承磨损,由于离心力增加需要更高 的转子机械强度,因此,在超同步转速在120 以上 运行时,应选择增强机械强度、 高速轴承的变频专用 电动机。并且运行转速不要超过其说明书提供的转 速上限。 再生制动时直流母线电压会升高,这对电动机 绝缘能力有一定要求,不要选择绝缘等级太低的产 品。特别是在采用电压型脉宽调制变频器时,电动 机的绝缘肯定会受到疲劳性损伤,电动机的寿命也 会受到影响,运行维护时要注意绝缘检查。 2. 2 改造工程的电动机保留使用考虑 变频器工程改造时,如果继续使用原有电动机, 不仅可以节省投资,还可免除重新进行基础施工等 麻烦。 普通笼型异步电动机应用于二次方转矩负载以 及恒转矩负载时,如果满负荷长期运行,转速在同步 转速的60 以上,并且不会出现120 以上的超同 步运行的情况,可以考虑保留使用。绕线转子异步 电动机将转子短接后,特征接近笼型异步电动机,在 上述同样的限制条件下可以保留使用。 变极电动机即多速电动机,基本结构属于笼型, 在同样的限制条件下可以保留使用,定子可固定连 接为一种极数。若要保留变极方式,变频器容量要 按照最大额定电流的接法来选择。电动机的参数要 分组保存,并且在变极时自动切换,外部控制功能上 则要保证只在电动机停止时改变极数。 总的来说,低速下的散热能力问题、 高速时的机 械强度问题、 额定工作频率与调速范围上限的对应 关系问题,是变频调速系统中选择电动机时主要需 要考虑的因素。 3 安装调试时的注意事项 3. 1 电源控制及切换注意事项 变频器在投入运行前,需要先投入电源。从电 容器开始充电到直流电压稳定需要一定时间,如果 变频器运行指令提前到达,则直流电压一旦高于下 限时,逆变器就会启动运行。这时,整流器一方面要 承担系统启动加速的能量供应职责,还要继续为电 容器充电,负担很重,经常这样运行会降低整流器寿 命。因此,从变频器输入侧接通电源到发出运行指 令,应该有一段时间间隔。如果在需要启动时才合 上输入电源,则实际启动动作会延后,系统动作反应 速度降低。另一方面,在没有运行指令时如果电源 保持接通,逆变器没有功率输出,直流部分电压爬升 到接近交流电压峰值后保持稳定,整个变频器只有 很低的空载损耗,不论从节能角度还是设备使用寿 命角度都没有什么危害,变频器主电路保持带电状 态,对于设备防潮还有一定好处,特别是在煤矿井下 这种阴暗潮湿的环境中。唯一不利的是多数变频器 电源接通后会散热,风机属于变频器的损耗件,系统 不运行时长期带电会缩短风机更换周期。所以,在 系统准备运行前变频器就应供电,中途短时停车时 电源也不必切断,在较长时间不运行时,是否要切断 电源由使用者习惯决定,若重点在防潮,以长期带电 方式为好,若想延长风机使用寿命,则较长时间不运 行可以切断电源。天地常州自动化股份有限公司 研发的矿用变频器在运行时才启动风机,可以延长 风机寿命。 3. 2 补偿电容器的处理 使用变频器时不能在电动机上并联电容器来补 偿功率因数,如果是原来并联了就地补偿电容器的 改造工程,并联补偿电容器必须拆除,因为变频器输 出的电压波形会在电容器上激励出尖峰电流,这样 可能会损坏变频器,如果变频器输出侧接有噪声滤 波器,也可能遭到破坏。 3. 3 输出电感型滤波器的设置 变频器输出与电动机之间的连接电缆由于分布 电容会产生接地漏电流,如果不超过规定标准,该电 流不会产生实际危害。当电缆分布电容比较大时, 高频载波引起的接地电流可能超标,会引起接地保 护动作,造成系统无法正常工作。这种情况下,可以 让变频器尽量靠近电动机,缩短输出电缆长度以降 低分布电容。若不行,则可考虑加设输出滤波器。 加设输出滤波器有几大好处降低输出载波干扰在 电动机内产生的高频噪声、 减少电动机内产生的力 矩脉动和附加发热、 抑制在输出电缆上产生的分布 电容接地电流、 减少输出电缆上因为高频集肤效应 产生的附加发热。 201工矿自动化2008年10月 3. 4 针对输出载波干扰的对策 输出载波干扰的有线传播可采用输出噪声滤波 器抑制,无线传播可采用阻断对策来解决。无线传 播主要有传导和辐射2种传播方式。 传导传播是近距离作用,通过导体之间的耦合 电感和电容起作用,主要影响敷设距离比较近的高 阻抗低电平信号。解决的办法主要是在电缆敷设时 避免将变频器输出电缆与容易受干扰的信号电缆近 距离平行敷设。电缆间距离越大、 交角越大、 平行敷 设的长度越短,传导干扰越小。变频器输出电缆尽 量远离控制电缆敷设,必须靠近敷设时尽量以正交 角度跨越,必须平行敷设时尽量缩短平行段的长度, 这是变频调速系统电缆敷设施工的三大原则。将容 易被干扰的信号电缆选择为屏蔽电缆,也是降低传 导干扰的措施。 辐射传播是远距离作用,通过输出电缆的天线 效应发射无线电干扰波,主要影响对无线电敏感的 设备。对输出电缆采取电磁屏蔽措施是基本的阻断 对策。输出电缆采用屏蔽电缆、 输出电缆穿钢管敷 设且将钢管做电器连通并可靠接地,是2种可行的 屏蔽措施。 4 结语 综上所述,根据实际工程情况,以适当方法选择 变频器规格很重要多数情况下选择变频器标称功 率与电动机功率匹配;少数情况下需要放大一级;个 别情况需要放大两三级甚至1倍以上,有时,变频器 标称功率可以小于电动机功率。所以,笼统地认为 放大功率选择变频器总是没错的想法,多数情况会 造成投资浪费,个别情况下又不能满足应用需要。 参考文献 [1] 张燕宾.变频调速460问[M].北京机械工业出版社, 2006. 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