淺談變頻器在輸煤系統中的應用

曹善濤

（河南省新鄉市華電渠東發電有限公司，河南 新鄉 453000）

1 應用價值

1.1 功能性

以葉輪給煤機為例：葉輪給煤機是輸煤系統中重要的設備，它將卸煤倉中的煤撥動到輸煤皮帶上，實現物料的動態轉移。其撥煤電機的轉速決定著皮帶上煤流的大小，直接影響著輸煤量和配煤質量。對于撥煤電機的調速方式，本廠曾采用過電磁滑差離合器調速、降壓啟動、頻敏電阻、渦流制動、直流制動等方式，但由于它們的優點單一、負面效應大，效果均不理想。變頻器涵蓋了以上方式的優點，并且從其調速平穩性、遠方控制能力、維護方便性等方面來看均較所用的調速方式好，具體特點如下：

（1）提高了功率因數：從變頻器的監視窗口可以看出，電機的功率因數平均約為0.983，對電動機有效地進行了功率補償。

（2）降低了噪聲：由于電機轉速常小于其額定轉速，噪聲大幅度降低，改善了工作環境。

（3）操作便捷：可采用變頻器控制面板控制、外接電位器控制、外接電壓信號控制、外接電流信號控制等多種方式。

（4）保護齊全：具有過載保護、堵轉保護、過加速保護、欠壓保護等，并具有故障記憶功能。

（5）優良的啟停特性：軟啟動、軟停機，避免啟動電流過大對電動機的傷害。

（6）易于實現自動控制：輸煤系統常伴有各種供水系統，它們功能不同、作用巨大，如消防水系統、除塵水噴霧系統等。這些供水系統都需要管路保持恒定的壓力，而用水狀態卻是時刻變化的，這就要求驅動水泵的電動機轉速動態變化，以保持管路水壓的基本恒定。變頻器恰恰能輕而易舉地實現這個目的，只要在管路上安裝一個壓力變送器，將水壓信號轉成4～20 mA電信號，加到變頻器的電流輸入端子上，再設置好工作上、下限值，變頻器即可自動調節輸出控制電動機的轉速以達到管路壓力的基本恒定。

1.2 經濟性

用變頻器替代開關控制，雖然初期投資大，但可節省大量電費。一般而言，變頻器的投資一年左右即可收回，還可帶來明顯的經濟效益。

（1）節電顯著：從實際測量可得出結論，在需要變流量的場合，節電效果一般為30%以上，可為用戶節省大量電費。

（2）可替代開關控制柜。

（3）具有電機起動器功能，節約大量電氣設備及元器件。

2 變頻器的常見故障分析

輸煤系統的環境惡劣，粉塵濃度大、空氣濕度大，再加上運行操作人員素質良莠不齊，這些因素都成為變頻器工作的不利條件，在實際使用過程中，人們把常見故障歸納如下并加以簡要分析：

（1）變頻器充電起動電路故障。通用變頻器一般為用壓型變頻器，采用交—直—交工作方式。當變頻器剛上電時，由于直流側的平波電容容量非常大，充電電流很大，通常采用一個起動電阻來限制充電電流。充電完成后，控制電路通過繼電器的觸點或昌閘管將電阻短路。起動電路故障一般表現為起動電阻燒壞，變頻器報警顯示為直流線線電壓故障。變頻器在設計時，為了減小變頻器的體積而選擇較小起動電阻，其值多為10～50 Ω，功率為10～50 W；當變頻器的交流輸入電源頻繁接通，或者旁路觸器的觸點接觸不良時，都會導致起動電阻燒壞。因此在替換電阻的同時，必須找出原因，如果故障是由輸入側電源頻率開始引起的，必須消除這種現象才能將變頻器投入使用，如果故障只由旁路觸元件引起，則必須更換這些器件。

（2）變頻器無故障顯示，卻不能高速運行，經檢查變頻器參數設置正確，調速輸入信號正常，經上電運行測試，變頻器直流母線電壓只有450 V左右（正常應在580～600 V），再測輸入側，發現缺了一相。故障原因是輸入側的一個空氣開關一相接觸不良造成的。造成變頻器輸入缺相不報警，仍能在低頻段工作，是因為多數變頻器的母線電壓下限為400 V，只有當母線電壓降至400 V以下時，變頻器才報告故障。而當兩相輸入時，直流母線電壓為380V×1.2=452 V＞400 V。當變頻器不運行時，由于平波電容的作用，直流電壓也可達到正常值，新型的變頻器都采用PWM控制技術，調壓調頻的工作在逆變橋完成，所以在低頻段輸入缺相時仍可以正常工作，但因輸入電壓、輸出電壓低，造成異步電動機轉速低頻率上不去。

（3）變頻器顯示過流，出現這種顯示時，首先檢查加速時間參數是否太短、力矩提升參數是否太大，然后檢查負載是否太重。如果沒有這些現象，可以斷開輸出側的電流互感器和直流側的霍爾電流檢測點，復位后運行，看是否出現過流現象。如果是，很可能是IPM模塊出現故障，因為IPM模塊內含有過壓過流、欠壓、過載、過熱，缺相、短路等保護功能，而這些故障信號都是經模塊控制引腳的輸出Fn引腳傳送到控制器的。微控制器接收到故障信息后，一方面封鎖脈沖輸出，另一方面將故障信息顯示在面板上，應更換IPM模塊。

（4）變頻器顯示過壓故障，變頻器出現過壓故障，一般是雷雨天氣，由于雷電串入變頻器的電源中，使變頻器直流側的電壓檢測器動作而跳閘，這種情形，通常只需斷開變頻器電源1 min左右再上電即可，另一種情況是變頻器驅動大慣性負載，而出現過電壓現象。這種情況下，一是將減速時間參數加長或增大制動電阻（制動單元）；二是將變頻器的停止方式設置為自由停車方式。

（5）電機發熱，變頻器顯示過載，對于已經投入運行的變頻器，必須檢查負載狀況，對于新安裝的變頻器出現這種故障，很可能是V/F曲線設置不當或電機參數設置有問題，此時必須正確設置好各種參數，另外，電機在低頻的工作時散熱性能變差，也會出現這種情況，這時就需加裝散熱裝置。

3 諧波的治理措施

在工業調速傳動領域中，與傳統的機械調速相比，變頻器調速有諸多優點，應用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，變頻器在現場通常與其他設備同時運行，例如計算機、工業電視和傳感器，這些設備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力裝置是公用電網中最主要的諧波源之一，其對電力系統中電能質量有著重要的影響。

治理諧波問題、抑制輻射干擾和供電系統干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。

（1）使用無源濾波器或有源濾波器：使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩定、不改變的系統。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。LC濾波器是傳統的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。

（2）增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法：由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其他負載，引起諧波電流在其上流過，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積、減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量來增大電纜截面積的方法，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不但不能從根本上消除諧波，反而還降低了保護特性與功能，加大了投資，增加了供電系統的隱患。

（3）使用無諧波污染的綠色變頻器：綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，可在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況下，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中，通過消除最低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，最低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。依次類推，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。

此外，變頻器還可以適當采用低諧波技術，具體歸納為：①逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，通過波形疊加抵消諧波分量；②整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波；③逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小；④采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問題。