氧化铝厂中变频器的选择及使用

李明

(贵阳铝镁设计研究院,贵州 贵阳 550000)

前言

解决好氧化铝厂设备运行中存在严重的能源浪费问题，是增强企业竞争力的要求，更是创建资源节约型社会的国策的要求。变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术发展的必然方向。对设备采用变频技术，可以降低企业的生产成本，降低生产设备的故障率，延长设备的使用寿命，产生较大的经济效益和社会、环境效益，提高企业的综合竞争力和发展后劲。

1 变频器的选择

1.1 调速对象的基本情况

1.1.1 负载力矩

在工艺上提出要调速的负荷后，首先要了解这种负荷的力矩特性，力矩特性不同选择变频器的种类就不一样。电动机的机械负载转矩特性根据下列关系式决定:

P=Tn/9550

式中:P-电动机功率，kW；T-转矩(N.m)；n-转速(r/min)。

图1 转矩、转速与负载种类示意图

转矩T与转速n的关系根据负载种类大体可分为3种(见图1)：(1)即使速度变化转矩也不大变化的恒转负载，如图1(a)所示。此类负载如传送带、起重机、台车、挤压机、压缩机、罗茨风机等。(2)随着转速的降低，转矩按转速的平方减小的负载，如图1(b)所示。此类负载如风机、各种液体泵等。(3)转速越高，转矩越小的恒功率负载，如图1(c)所示。此类负载如扎机、机床主轴、卷取机等。

1.1.2 电机型式与参数

电机型式不一样选择变频器也不一样，大体分为鼠笼型、绕线型两种，应用场合有高速与低速之分，联轴器有齿轮传动，还有防爆、制动等。另外，还要了解电机的相数、转速、额定电压和电流等。

1.1.3 调速参数

首先要了解调速范围，从频率上分0～400Hz与 50～2000Hz，凡是在 50Hz额定频率以上调节的多半为恒功率负载。其次是了解调速精度，调节响应的快慢。

1.1.4 电源

要了解变频器接入配电网变压器容量以及电压不平衡率；接入变频器的同一电源母线上是否接有功率因数补偿电容及其他整流装置；接入变频器的同一电源母线上是否接有其也怕干扰的电子设备。

1.2 变频器的选择

变频调速技术近年在低压风机水泵类机械中得到广泛的应用，同时交流变频调速技术也正朝着大容量，高电压和高性能的方向发展。在氧化铝行业，大量的大功率风机和泵类设备目前仍采用通过挡板、阀门等方式调整供应流量，由于挡板、阀门等方式是通过提高管道阻力来达到降低流量的目的的，应用中造成了大量的能源浪费，甚至影响企业的竞争能力。

1.2.1 变频器分类

变频器可分为交-直-交变频和交-交变频两大类。

1.2.2 变频器型式的选择

(1)通用型：这类变频器主要用于恒转矩、恒功率负载。如国产的JP6C-T9型，日本产的FRENIC500G9S型。(2)节能型：这类变频器主要用于风机泵等平方减负载。如国产的JP6C-J9型，日本产的FRENIC500P9S型。其起动转矩只有50%以上，制动转矩20%以上，专用于风机、泵节能。(3)专用型：这类变频器主要用于电梯、轴承磨床等特殊负载。

1.2.3 变频器控制方式选择

根据控制对象要求的调速范围，调速精度，响应速度来选择变频器的控制方式。变频器的控制方式目前大致有4种：(1)最基本的V/f常数控制方式。这种方式是开环控制，维持磁通为常数，用正弦波脉宽调制SP2WM控制，可用于平方减转矩负载，或恒转矩负载，低速范围要采取补偿，调速范围窄，调速精度不高，响应慢。(2)转差频率控制。转差频率控制是检出电动机的转速相对应的频率与转差频率的和来给定变频器的输出，能控制与转差率有直接关系的转矩、电流。这种控制比V/f控制的调速范围宽一些，精度高一些，响应快一点，但易受干扰，稳定性较低。(3)矢量控制。这种控制比前两种控制完善的多，调速范围宽，低速范围起动力矩高，精度高达0.01%，响应很快，高精度调速都采用矢量控制变频器SVPWM。(4)转矩矢量控制。这种控制方式是目前国际上最先进的控制方式，它不同于前3种，前3种是模拟直流电动机的参数，进行保角变换而进行调节控制的，转矩矢量控制是直接取交流电动机参数进行控制，控制简单，精确度要求处理速度非常快，处理器DSP及很多硬件都是高速器件，价格较贵，目前国外一些公司有此产品，但未能推广。

1.2.4 变频器参数选择

根据电动机的电压、电流、功率选择变频器的参数。

(1)电流。电动机的额定电流是指正弦50Hz电源的电流，而变频器标定的额定电流输出是指锯齿正弦包络线的电流，而且这个电流是按4极电动机计算的，因此在电流选择时必须考虑I变=1.1I电，对于多极电动机必须检验变频器的电流是否足够。

(2)电压。有单相220V，三相380V等的变频器，也有高压6kV/10kV变频器，这要根据电动机的电压而定。

(3)现在变频器表示的容量，是指适配电动机容量，但要根据负载的性质而定，最好采用大一级的容量。

1.2.5 选择变频器用的逆变元件

变频器最关键的逆变元件与变频器的性能密切相关。现在市面上国外生产的变频器逆变元件有以下几种：

(1)逆变元件为电力晶体管的GTR。这种逆变元件是电流驱动、发热量大、体积大、噪音大、调制频率低，但价格较便宜，是淘汰产品，但在市面上流行。

(2)绝缘栅极双极晶体管IGBT。这种逆变元件为电压驱动、发热小、体积小、调制频率高，噪音低，是较为理想的产品，也是目前较为先进的商品。

(3)逆变元件智能功率模块IPM。这种逆变元件在TGBT的芯片上把驱动电路和保护电路集成在一个芯片上的智能化功率模块 (IPM)，可靠性高、体积很小、噪音低、是世界最先进产品，但目前功率只做到55kW。

2 存在问题

无论哪种型式的变频器所提供的变频电源，都有大量的高次谐波，使电机处于非正弦波和非工频下运行，而以往的电机又是按正弦波、工频电源设计的，因此在变频器电机系统中运行的电机便出现了许多问题。

2.1 损耗增加、效率降低。定子电流中迭加的高次谐波使定子铜损增加，而转子导条尺寸较大，转子中的高频电流所引起的集肤效应可使转子电阻的损耗增加许多倍，增加了转子铜损。与此相应，电机的效率也有所降低，输出功率有所减少。据1台110kW，4极电机温升实验表明，在温升相同时，逆变的供电输出功率为一般电机的87%。

2.2 转矩脉冲、振动、噪声增加。电机齿槽引起的空间高次谐波和变频器波形畸变产生的时间高次谐波相互迭加，使电机气隙中的磁通含有各种高次谐波，这些谐波将使电机的输出转矩脉动的影响更为明显，致使电机转速不均而有步进感。当电机的某些部分由于高次谐波转矩的激发而发生局部共振时，将导致电机振动、噪声增加。

2.3 电机温升高。一般电机的冷却都是通过与转子同轴的风扇实现的。而变频调速的电机在低速运转时，冷却效果降低，致使电机温升明显偏高，甚至会超过F级绝缘的允许温升。

2.4 电机过电压。逆变器换流时可产生冲击尖峰电压，这将引起电机绕组的过电压。

3 结语

如何解决设备运行中存在的严重能源浪费，不但是增强企业竞争力的要求，更是创建资源节约型社会的要求。变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术的首选，也是该类技术发展的必然方向。随着技术的发展，变频器的性能愈加稳定，变频器在氧化铝生行业的应用也愈加广泛，节能的效果更加明显。对国家实行的节能降耗政策有着推进和促进作用。

[1]杨世勇.变频器在氧化铝厂中的应用[J].自动化与仪器仪表，2009-07-25.