變頻器在自動(dòng)恒壓供氣系統(tǒng)的應(yīng)用

張喜超　孫多嬌

【摘 要】本文通過介紹變頻器在使用過程中存在的問題，提出解決對(duì)策，合理設(shè)置變頻器參數(shù)，達(dá)到最佳運(yùn)行效果。應(yīng)用于空壓機(jī)站恒壓供氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供氣的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】參數(shù)設(shè)置；自動(dòng)調(diào)節(jié)；恒壓

1 變頻器存在的問題及其對(duì)策

自20世紀(jì)80年代通用變頻器進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來，在短短的十幾年時(shí)間里得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著通用變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾個(gè)方面：諧波問題、變頻器負(fù)載匹配問題、發(fā)熱問題。

1.1 諧波問題

通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成：整流部分、逆變部分和濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為三SPWM波形。

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，因此當(dāng)電流流經(jīng)變頻器時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生了諧波。

為了消除諧波，可采用以下對(duì)策：

1.1.1 增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗

通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對(duì)變頻器容量越小時(shí)，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越大。當(dāng)變頻器的容量超過供電變壓器容量的十分之一時(shí)，變壓器內(nèi)阻能夠很好的抑制諧波。

1.1.2 安裝電抗器

安裝電抗器實(shí)際上從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)安裝交流電抗器或在變頻器的直流側(cè)安裝直流電抗器，或同時(shí)安裝，抑制諧波電流。

1.2 發(fā)熱問題及其對(duì)策

變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。為了保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱，通常采用以下方法：

1.2.1 采用風(fēng)扇散熱

變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行。

1.2.2 降低安裝環(huán)境溫度

由于變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元、電解電容等，所以溫度對(duì)其壽命影響比較大。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求-10℃—50℃，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運(yùn)行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長(zhǎng)，性能也比較穩(wěn)定。

2 常用的變頻器參數(shù)

2.1 U/F線的設(shè)置

為了改善電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性，各變頻器都提供了多種U/F曲線，若U/F線選擇不好發(fā)生了過補(bǔ)償，電機(jī)磁路將飽和，勵(lì)磁電流的波形發(fā)生畸變，其峰值有可能超過電動(dòng)機(jī)允許的上限值，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱甚至燒毀，因此準(zhǔn)確地預(yù)置U/F線是非常重要的。

2.1.1 風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)屬于二次方律負(fù)載，在低轉(zhuǎn)速（頻率較低）運(yùn)行時(shí)，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩很小。即使不進(jìn)行補(bǔ)償，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也比電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩小得多。

2.1.2 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。輸送煤碳或石料的傳輸帶，在運(yùn)行過程中，其負(fù)載輕重雖略有變化，但總體上說，可以認(rèn)為，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩是基本不變的。對(duì)于這類負(fù)載，必須考慮在低頻時(shí)也能帶動(dòng)負(fù)載的問題。因此，應(yīng)該選擇具有一定補(bǔ)償量的U∕f線。

2.2 矢量控制

實(shí)行矢量控制的基本途徑，是進(jìn)行磁場(chǎng)之間的等效變換，而進(jìn)行等效變換的前提是必須對(duì)變換前的磁場(chǎng)有足夠的了解。因此，變頻器必需配置了“自測(cè)定功能”，能夠自動(dòng)地測(cè)定電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)。

2.3 載波頻率的調(diào)整

載波頻率對(duì)變頻器輸出電流的影響主要有幾個(gè)方面，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整：

（1）載波頻率越高，則電流波形的脈動(dòng)越小。故適當(dāng)提高載波頻率，可以改善電流波形，減小電動(dòng)機(jī)的電磁噪音。

（2）載波頻率越高，則IGBT交替導(dǎo)通的死區(qū)的累計(jì)值越大，也就是在一個(gè)周期中不工作的時(shí)間越長(zhǎng)。因此，載波頻率越高，變頻器的實(shí)際輸出電壓越小。

（3）載波頻率越高，因線路相互之間，以及線路與地之間分布電容的容抗越小，由高頻脈沖電壓引起的漏電流越大。

2.4 升速時(shí)間的預(yù)置

變頻器的“升速時(shí)間”，指頻率從0Hz上升到最高頻率（或基本頻率）所需要的時(shí)間。在生產(chǎn)機(jī)械的工作過程中，升速過程（或起動(dòng)過程）屬于從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)的過渡過程，在這段時(shí)間內(nèi)，通常是不進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的。因此，從提高生產(chǎn)力的角度出發(fā)，升速時(shí)間應(yīng)越短越好。但是，如升速時(shí)間過短，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可能跟不上同步轉(zhuǎn)速的上升，結(jié)果使轉(zhuǎn)差增大，導(dǎo)致升速電流超過變頻器上限值，從而使變頻器跳閘。所以，在不過流的前提下，“升速時(shí)間”越短越好。

2.5 降升速時(shí)間的預(yù)置

變頻器的“降速時(shí)間”，指頻率從最高頻率（或基本頻率）下降到0Hz所需要的時(shí)間。正常運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速的，在頻率剛下降的瞬間，由于慣性原因，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?zèng)]變，但旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速卻已經(jīng)下降了，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)出的電能經(jīng)變頻器逆變管旁邊的反并聯(lián)二極管VD7～VD12全波整流后，反饋至直流電路，使直流電壓上升，稱為泵升電壓。如果直流電壓過高，將會(huì)損壞整流和逆變模塊。因此，當(dāng)直流電壓升高到一定限值時(shí)，必須使變頻器跳閘。所以，在不過壓的前提下，“降速時(shí)間”越短越好。

3 變頻器在恒壓供氣系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 恒壓供氣變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

在變頻恒壓控制系統(tǒng)中，變頻器會(huì)根據(jù)管網(wǎng)瞬時(shí)用氣量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓站中空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定的設(shè)定壓力，從而達(dá)到了空壓機(jī)的節(jié)能降耗和提高供氣質(zhì)量的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了控制過程的自動(dòng)化，并且對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了超壓、過載、過流、欠壓等自動(dòng)報(bào)警保護(hù)。

3.2 恒壓供氣變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

通常空壓站由多臺(tái)空壓機(jī)組成，每臺(tái)空壓機(jī)都由一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)，獨(dú)立進(jìn)行控制。在實(shí)際工作中，空壓站按最大工作負(fù)荷設(shè)計(jì)的，所以在用氣量少時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)或兩臺(tái)機(jī)組，用氣量大時(shí)，啟動(dòng)多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，在系統(tǒng)予設(shè)管網(wǎng)壓力值，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)予設(shè)的壓力值的下限與上限進(jìn)行自動(dòng)的加載和卸載，用來滿足用氣量。空壓站這種控制方式，帶來許多問題，現(xiàn)有空壓站控制通常使用以下三種辦法來調(diào)節(jié)排氣量：

（1）將多余的壓縮空氣放空；（2）關(guān)閉電機(jī)；（3）關(guān)閉吸氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)。

以上供氣方式使供氣量無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，頻繁的啟動(dòng)、停止容易著成設(shè)備的損壞，對(duì)電網(wǎng)和空壓機(jī)由相當(dāng)大的沖擊。

3.3 恒壓力控制方式效果分析

變頻恒壓控制方式通過PID自動(dòng)調(diào)節(jié)輸氣量與設(shè)定量的差值，使壓力恒定，系統(tǒng)壓力通過壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳送到PID單元與設(shè)定值比較，并根據(jù)差值的大小按既定控制模式進(jìn)行運(yùn)算，使變頻器輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來控制壓縮機(jī)的電機(jī)，使實(shí)際壓力與設(shè)定壓力相等來達(dá)到恒壓目的，實(shí)現(xiàn)供氣的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。

電機(jī)起動(dòng)時(shí)所消耗的能量空壓機(jī)時(shí)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)所需的功率大致相當(dāng)于滿載運(yùn)行所消耗2～3倍，時(shí)間約為5～60S，載頻繁起動(dòng)控制排氣量時(shí)，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，能耗明顯，使用變頻器后，可實(shí)現(xiàn)平滑的軟啟動(dòng)與軟停車，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

[責(zé)任編輯：湯靜]