化工企业中变频器的使用

季健

（江苏国恒安全评价咨询服务有限公司，南京210017）

化工企业中变频器的使用

季健

（江苏国恒安全评价咨询服务有限公司，南京210017）

根据变频器的原理作用及日常维护管理中的经验教训，论述化工企业中变频器的选用，提出合理使用变频器的观点。根据对变频器运行常见问题的分析，以散热问题为重点，指出变频器选用及维护管理中存在的风险及应对措施。

化工；变频器；选型；散热

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.128

1 引言

变频器作为调压调频电源的电力变换设备，使异步电动机具有良好的调速性能。根据具体情况，针对风机、水泵等设备合理的配备变频器也有很好的节能降耗效果。化工装置一般存在大量的风机、水泵和需要调速的旋转设备，因此变频器的使用比较广泛。但随之而来的故障率提高，电源质量下降等问题也引起了人们的关注。由于化工企业自身环境影响，变频器的运行维护变得十分重要。本文对化工企业如何合理选用变频器展开论述，引用实际工作中的案例，说明变频器合理使用及维护的重要性。

2 变频器的工作原理、结构及节能原理

2.1 变频器的工作原理、结构及各部分作用

变频器变频是利用带通断作用的半导体元件将设备的运行频率由固定频率变为可调节的另一频率的过程，同时也可以调节输出电压。

变频器的电路有主电路和控制电路两个部分。主电路由整流器、滤波器及逆变器3部分构成，整流器将工频交流电源通过整流变为直流电源，滤波器吸收整流器输出中含有的交流分量，最后逆变器将直流电源通过逆变转换为交流电源。控制电路部分根据输入的运行指令向整流器和逆变器发出指令，调节可控硅元件触发信号的频率，从而达到变频的目的。图1为三相异步电动机变频调速电路原理图。

图1 三相异步电动机变频调速电路原理图

变频器控制电路由f（频率）、V（电压）运算电路，主电源检测电路，控制信号运放电路及本体保护电路等组成。运算电路

将输入的转速、转矩等指令与主电源电路的电流、电压进行比较运算，得到逆变器的输出电压、频率数据。主电源检测电路实时检测输出部分的电流和电压。控制信号运放电路负责驱动主电路器件，它与控制电路隔离使主电路可控硅元器件导通、关断。保护电路通过检测到电流值和电压值异常判断主电路发生过载或过电压等故障时，使逆变器停止工作，防止变频器和异步电动机等损坏。

有的变频器还包括速度检测回路，接入电机实际转速反馈信号进行控制，通用变频器一般很少使用。

2.2 变频器的节能原理

变频器的节能主要依靠调速节能，虽然变频器改善功率因数和软起动功能也有节能效果，但十分有限。

变频器通过调频调速，频率下降时变频器输出的电压也成比例下降，电压与频率的比例关系是根据电机特性而确定的。异步电动机的转矩是由电机的磁通与转子内电流之间互相作用而产生的，通过公式E（感应电动势）=4.44×f（频率）×N（线圈匝数）×Φm（磁通）可知，如果只降低电机输入频率而电压不变，磁通就会变大，电机将因磁饱和而不能工作，严重时会烧毁电机[1]。降低变频器输出电压即降低逆变器的输入电压，也应降低输入逆变器的直流电压。因此，可采用三相桥式整流，使整流器输出的直流电压可以随频率的改变而改变，避免产生磁饱和现象。

当变频器负载为水泵时，由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速n成正比，压力H与n2成正比，因此，功率P与n3成正比，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台75kW电机，当转速下降到原转速的3/4时，其用电功率为31.64kW，省电约57.8%，当转速下降为原转速的1/2时，功率为9.38kW，省电可达87.5%。

3 化工企业中变频器的选用原则与建议

3.1 变频器的基本选用原则

由于变频器的良好调速性能及节能效果，许多化工装置在设计时热衷于用变频器作为调速和节能措施。但变频器的使用会带来投资的增加、电网质量的下降、维护工作增加等负面影响。因此，除风机、水泵类节能效果明显的设备外，其他不需要频繁调速的设备尽量不要选用变频器。

新建项目时，一般是根据工艺要求先选择合适功率的泵，并选择匹配的电机，然后根据选定的电机规格及负载类型选择适合的变频器。如需长期运行的变频器，应选择输出电流大于电机实际工作电流的型号。电机的实际工作电流值与现场运行工况有关，不是电机铭牌上的额定电流，只有熟悉电机运行工况，估算出电机运行中电流变化的范围，才能确定相应的变频器的型号。电机功率大，而工作负载轻时，可以根据实际情况选用和负载匹配的变频器。

3.2 根据负载及运行状况选择的建议

拖动恒转矩负载的电机一般不过超负荷运行，可以额定电流为依据，选择变频器。例如：一台22kW额定电流42A的电机，变频器产品册上22kW的变频器输出电流为45A，则可以选这个变频器。风机泵类负载的电机变频器选型，也可以电机的额定电流为依据。

经常短期过载的电机，所选变频器的最大输出电流应大于电机运行的峰电流，且过载周期在允许范围内，可以选用额定功率高一级别的变频器。例如，一台55kW的电机，额定电流107A，间歇性运行，短期过载运行电流为150A，选型时根据变频器过载曲线来选型，要求变频器的输出电流曲线能覆盖电机电流曲线。对于重载型变频器的选型，选型时要充分考虑变频器的过载能力，比如施耐德某型号变频器允许1.6倍短期过载，如不考虑过载能力，则根据图样规格需选用输出功率75kW、输出电流157A的变频器，若考虑到过载能力，则选用输出功率55kW、输出电流115A的变频器即可，可以减少投资并节约维修成本。另外，重载型变频器的选型，也可以参考同类项目的日常运行数据。

3.3 海拔与环境温度对容量的影响

变频器选型的其他因素包括海拔、环境温度、进线电压等级、变频器输出频率范围等，其中海拔和环境温度主要会影响变频器使用容量。海拔高度超过1km，会造成变频器电子元器件的性能下降，电容耐压能力下降、电流承受能力也会下降。所以，在海拔高度超过1km的场所，一般将变频器降容使用，在选型时要注意降容系数。在日常运行过程中，变频器允许工作的温度范围一般在-10～+40℃。如果在-10℃以下温度的场所使用变频器，可能会因为温度过低而起动不了，通过取暖设施将温度提高到-10～+40℃内后，再起动变频器，起动后运行一段时间，变频器工作发出热量，可使周围温度不至过低。变频器的性能数据一般是在环境温度为40℃时给出的。原则上，当环境温度超过40℃时，变频器需要降容后使用，选型时需注意。

3.4 进、出线电抗器的选择

根据电机电流选定变频器后，需要考虑进、出线侧是否需要配备电抗器。进线电抗器是抑制进线侧电流变化率的，如果电网上有直接连接的电机，电机直接起动时，会拉低电网的电压，对电网造成电流冲击。另外，在断路器、接触器合闸的瞬间，对电网也会有冲击，表现为电压和电流的瞬时畸变。在变频器工作过程中，如果进线侧电流超过了整流器的承受能力，就会发生变频器过电压、低电压等故障，导致变频器不能正常运行，甚至会损坏变频器。在进线侧使用电抗器，可以降低网侧电流畸变对变频器的影响。如果电网中存在上述潜在危险，则建议选用进线电抗器。如果电网上同一变压器输出侧全都使用变频器，电流波动情况较小，可不选用进线电抗器。异步电动机未使用变频器时，起动电流可达额定电流的4～8倍，在变频器使用后，可以有效降低起动电流，使之小于电机额定电流。

4 化工企业中变频器常见跳停问题及分析处理

化工企业中变频器使用过程中最常见的问题是各种原因造成的跳停，其中比较普遍的是以下几种情况。

1）电网上同一变压器输出侧大型电机一起动，运转中的变频器就跳停。电机在起动时线圈流过和容量相对应的起动电流，同时定子侧电源的变压器产生压降，电机容量大时，此压降的影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出低电压或失压急停的判断，同时变频器保护动作，造成停机。所以应针对大型电机的启动采取增加软启动器、降压启动等措施，以减弱其对系统的影响。如果电机启动时系统产生的电压降不大，可以通过设置变频器的控制参数来躲过压降的影响，根据不同品牌类型变频器的情况具体操作，如将降低输入电压的设置数值、延长欠压保护的延时或直接短时退出欠压保护等。

2）变频器显示过流跳停，一般可能是电机过载、电机故障、电机电缆故障或接线错误。跳停后应检查电机及电缆情况，必要情况下可采用变频器带电机空载试运行，相应的故障恢复后即可正常开车。驱动物料搅拌电机等负载的变频器可能因为短时负载突变而过流跳停，处理时要注意检查负载情况。还有一种过流可能就是用变频器传动的电机并联改善功率因数的用电容器，运行变频器后电流流入改善功率因数的用电容器，由于其充电电流造成变频器过电流。作为对策可以将电容器拆除后运转，在变频器本身的特性以及输入侧交流电抗器的影响下功率因数还是会比较高。另外，由于目前化工企业电力系统基本都是采用配电所集中式电容补偿改善功率因数，此种情况已基本不存在。

3）变频器过热跳停。目前变频器散热器会有过热保护，一般在115～125℃，散热器温度超过限值时变频器会跳停以达到自我保护目的。散热器过热的原因一般是冷却风扇故障、空气流通受阻、积灰、环境温度过高或电机负载过大。针对以上原因检查处理后重启变频器并查看出风口温度情况。如果变频器过热保护功能发生故障，将导致变频器过热时不能自动停机，造成变频器烧坏。某化工装置供水车间一台55kW水泵电机夜间跳停，未及时启动备用泵，造成整套化工装置非计划停车事故，经分析是水泵电机的变频器柜内散热风扇故障，且变频器过热停机功能无效，造成变频器内部整流桥及大电容烧坏。

5 变频器散热问题及维护要点

变频器的过热问题是运行中最常见且容易忽视的问题，下面就变频器柜通风量要求、日常散热维护进行重点论述。

变频器在使用过程中过热报警或跳停的情况是最常见的故障，一般这种问题都与变频器的散热、通风有关。目前化工企业的变频器一般安装在柜内，通用变频器的散热都是经过理论计算和大量的实践验证，正常运行情况下不会存在问题。由于变频器的安装柜很多并非变频器生产商配套产品，其通风量可能未经计算，也没有实践验证，安装柜通风量不足成为变频器过热的主要原因之一。某化工装置新安装的350马力（1马力≈735W）变频器，空载运行正常，带负载后多次过热跳停[2]。技术人员检查发现变频器自身及安装柜的冷却风扇工作正常，但运行时安装柜的柜体温度明显高于其他同类型设备。对比发现新的安装柜通风设计不足，导致散热不及时，热量在柜内聚集造成变频器过热跳停。对柜顶开孔增加散热风扇后运行稳定，多年未发生过热跳停的现象。

变频器自身散热问题主要是元器件的清洁与风扇的完好。很多化工企业由于粉尘多、空气污染等原因造成变频器所处环境比较恶劣，元器件容易附着粉尘或物料，造成散热不畅，因此化工企业要根据不同区域的具体情况做好变频器的定期清扫工作。比如,某化工装置因为生产物料存在煤粉，现场环境卫生较差。虽然变频器安装在配电所内，元器件还是很容易附着粉尘，粉尘除了影响散热外还可能造成元器件短路而

损坏变频器。

自带冷却风扇的变频器一般风的方向都是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要安装或放置妨碍进、出风的设备设施。变频器安装柜的进风口应该设置在下部，出风口设置在上部并高于变频器的出风口。变频器上方不要放置怕热的零件等。很多安装柜会在进风口装置过滤设施，设计时必须考虑到空气通过过滤设施后产生的压力损失，以及过滤器阻塞时压力会有所下降等因素，设计通风量时应留有余量。

变频器及安装柜的散热风扇和进、出风口检查清理作为日常工作不容轻视。由于变频器和安装柜的风扇一般3～6年才需更换，往往运行过程中未给予足够的重视，很多巡视检查或清理检修工作只是观察确定风扇转动就认为是完好的，但实际情况可能是风扇转速已远远低于正常值，在实际工作情况中已多次发现此类现象。因此，巡检及停车检修机会都要对变频器及安装柜的风扇仔细检查或清理，比如,巡检时除查看转动有无异常外还可以感受出风口的风量和风速，根据经验判断风扇是否故障；清理检查时用手转动风扇检查有无卡阻现象、转动是否平稳、停止是否缓慢平滑。安装柜的进风口滤网要根据环境情况定时清理，曾经有化工装置主要设备因变频器安装柜的滤网堵塞跳停，造成整个装置的停车事故。

总之，散热问题是影响变频器稳定运行的一个重要因素，散热问题会造成设备的直接跳停，也会加速变频器元器件的老化损坏，长期运行还会加速各部位的绝缘老化，缩短变频器寿命。因此，从变频器及安装柜的采购、设计、安装、维护等各个环节都要对散热问题给予足够重视。

6 结语

变频器的应用目前已经非常成熟，但化工企业还应根据自身情况谨慎选用，充分论证节能潜力，合理选型。通过对化工企业应用变频器常见问题及案例来看，从设计、采购、到安装、运行、维护各环节都要高度重视变频器的使用，日常维护中要重点关注散热问题。

【1】戴广平.电动机变频器与电力拖动[M].北京：中国石化出版社,1999.

【2】李自先,周中方,张相胜.变频器应用维护与修理[M].北京：地震出版社，2005.

The Use of Frequency Converter in Chemical Industry

JI Jian
(Jiangsu Guoheng Safety Evaluation&Consultation Service Co.Ltd.,Nanjing 210017,China)

In this paper,according to the principle of the frequency inverter and the experience of daily maintenance,discussing the choice of the frequency converter in the chemical industry,put forward a rational point of using the inverter.According to the analysis of the common problems of frequency converter in operation,focus on the heat dissipation problem,this paper point out the risk of selection of frequency converter and maintenance management and its countermeasures.

chemical industry;frequency converter;type selection;heat dissipation

TN773

A

1007-9467（2016）11-0056-04

2016-10-16

季健（1982～），男，江苏如皋人，工程师，从事电气工程研究。