变频器在自动恒压供气系统的应用

张喜超　孙多娇

【摘 要】本文通过介绍变频器在使用过程中存在的问题，提出解决对策，合理设置变频器参数，达到最佳运行效果。应用于空压机站恒压供气系统，实现供气的连续调节，保证管网压力稳定。

【关键词】参数设置；自动调节；恒压

1 变频器存在的问题及其对策

自20世纪80年代通用变频器进入中国市场以来，在短短的十几年时间里得到了非常广泛的应用。随着通用变频器应用范围的扩大，暴露出来的问题也越来越多，主要有以下几个方面：谐波问题、变频器负载匹配问题、发热问题。

1.1 谐波问题

通用变频器的主电路形式一般由三部分组成：整流部分、逆变部分和滤波部分。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变器部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为三SPWM波形。

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，因此当电流流经变频器时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生了谐波。

为了消除谐波，可采用以下对策：

1.1.1 增加变频器供电电源内阻抗

通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。当电源容量相对变频器容量越小时，则内阻抗值相对越大。当变频器的容量超过供电变压器容量的十分之一时，变压器内阻能够很好的抑制谐波。

1.1.2 安装电抗器

安装电抗器实际上从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧安装交流电抗器或在变频器的直流侧安装直流电抗器，或同时安装，抑制谐波电流。

1.2 发热问题及其对策

变频器的发热是由内部的损耗产生的。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热，通常采用以下方法：

1.2.1 采用风扇散热

变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行。

1.2.2 降低安装环境温度

由于变频器是电子装置，内含电子元、电解电容等，所以温度对其寿命影响比较大。通用变频器的环境运行温度一般要求-10℃—50℃，如果能够采取措施尽可能降低变频器运行温度，那么变频器的使用寿命就延长，性能也比较稳定。

2 常用的变频器参数

2.1 U/F线的设置

为了改善电动机低频运行时的机械特性，各变频器都提供了多种U/F曲线，若U/F线选择不好发生了过补偿，电机磁路将饱和，励磁电流的波形发生畸变，其峰值有可能超过电动机允许的上限值，使电动机发热甚至烧毁，因此准确地预置U/F线是非常重要的。

2.1.1 风机

风机属于二次方律负载，在低转速（频率较低）运行时，负载的阻转矩很小。即使不进行补偿，负载转矩也比电动机的有效转矩小得多。

2.1.2 带式输送机

带式输送机属于恒转矩负载。输送煤碳或石料的传输带，在运行过程中，其负载轻重虽略有变化，但总体上说，可以认为，负载的阻转矩是基本不变的。对于这类负载，必须考虑在低频时也能带动负载的问题。因此，应该选择具有一定补偿量的U∕f线。

2.2 矢量控制

实行矢量控制的基本途径，是进行磁场之间的等效变换，而进行等效变换的前提是必须对变换前的磁场有足够的了解。因此，变频器必需配置了“自测定功能”，能够自动地测定电动机的有关参数。

2.3 载波频率的调整

载波频率对变频器输出电流的影响主要有几个方面，可根据实际需要进行调整：

（1）载波频率越高，则电流波形的脉动越小。故适当提高载波频率，可以改善电流波形，减小电动机的电磁噪音。

（2）载波频率越高，则IGBT交替导通的死区的累计值越大，也就是在一个周期中不工作的时间越长。因此，载波频率越高，变频器的实际输出电压越小。

（3）载波频率越高，因线路相互之间，以及线路与地之间分布电容的容抗越小，由高频脉冲电压引起的漏电流越大。

2.4 升速时间的预置

变频器的“升速时间”，指频率从0Hz上升到最高频率（或基本频率）所需要的时间。在生产机械的工作过程中，升速过程（或起动过程）属于从一种状态转换到另一种状态的过渡过程，在这段时间内，通常是不进行生产活动的。因此，从提高生产力的角度出发，升速时间应越短越好。但是，如升速时间过短，电动机的转子可能跟不上同步转速的上升，结果使转差增大，导致升速电流超过变频器上限值，从而使变频器跳闸。所以，在不过流的前提下，“升速时间”越短越好。

2.5 降升速时间的预置

变频器的“降速时间”，指频率从最高频率（或基本频率）下降到0Hz所需要的时间。正常运行时，电动机的实际转速总是低于同步转速的，在频率刚下降的瞬间，由于惯性原因，转子的转速没变，但旋转磁场的转速却已经下降了，电动机处于发电运行状态。发出的电能经变频器逆变管旁边的反并联二极管VD7～VD12全波整流后，反馈至直流电路，使直流电压上升，称为泵升电压。如果直流电压过高，将会损坏整流和逆变模块。因此，当直流电压升高到一定限值时，必须使变频器跳闸。所以，在不过压的前提下，“降速时间”越短越好。

3 变频器在恒压供气系统的应用

3.1 恒压供气变频自动控制系统的优势

在变频恒压控制系统中，变频器会根据管网瞬时用气量的变化自动调节空压站中空压机的转速和运转台数，使管网压力始终保持恒定的设定压力，从而达到了空压机的节能降耗和提高供气质量的目的，同时实现了控制过程的自动化，并且对空压机进行了超压、过载、过流、欠压等自动报警保护。

3.2 恒压供气变频自动控制系统工作原理

通常空压站由多台空压机组成，每台空压机都由一台电机拖动，独立进行控制。在实际工作中，空压站按最大工作负荷设计的，所以在用气量少时，启动一台或两台机组，用气量大时，启动多台并联运行，在系统予设管网压力值，系统将自动根据予设的压力值的下限与上限进行自动的加载和卸载，用来满足用气量。空压站这种控制方式，带来许多问题，现有空压站控制通常使用以下三种办法来调节排气量：

（1）将多余的压缩空气放空；（2）关闭电机；（3）关闭吸气阀使电机处于空转。

以上供气方式使供气量无法实现连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动，频繁的启动、停止容易着成设备的损坏，对电网和空压机由相当大的冲击。

3.3 恒压力控制方式效果分析

变频恒压控制方式通过PID自动调节输气量与设定量的差值，使压力恒定，系统压力通过压力变送器将管网压力转变成电信号传送到PID单元与设定值比较，并根据差值的大小按既定控制模式进行运算，使变频器输出相应的转速来控制压缩机的电机，使实际压力与设定压力相等来达到恒压目的，实现供气的连续调节，保证管网压力稳定。

电机起动时所消耗的能量空压机时大转动惯量负载，电机空载起动时所需的功率大致相当于满载运行所消耗2～3倍，时间约为5～60S，载频繁起动控制排气量时，对电网冲击大，能耗明显，使用变频器后，可实现平滑的软启动与软停车，减少对电网冲击，延长设备使用寿命。

[责任编辑：汤静]