變頻調速在水泵循環中的應用探討

張旭

摘 要：變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，它的主電路一般采用交-直-交電路。通過對變頻器控制原理，控制方式的探討，以及變頻節能效果的詳細分析比較，說明水泵采用變頻調速的優點。并通過對變頻器運行可靠性分析，說明了在應用中的可操作性及推廣的可行性。

關鍵詞：水泵；變頻原理；V/F控制；節能原理；變頻器的可靠性

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0051-02

1 概述

把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率，電壓可調的交流電源供給異步交流電動機。變頻器主要由整流，濾波，再次整流（直變交），制動單元，驅動單元，檢測單元等微處理器組成?，F在，可以結合PLC和計算機實現遠程控制。在鋁冶煉行業中，一般都采用大電流低電壓的二極管三相橋式全控整流電路，采用水水冷的冷卻方式，主水采用經過過濾的高純水，通過板式交換器與付水進行熱交換來調節溫度。而付水由循環水站供給，但循環水站距離較遠而且無人值守，所以該循環水站水泵必須采用遠程控制。變頻器的遠程控制器是一種實現變頻器遠程操作的智能儀表，通過RS485網絡遠程控制變頻器的啟動，停止，加速，減速，并實時顯示變頻器的工作頻率，轉速等運行信息，而遠程采用計算機控制，從而實現水泵的計算機自動化控制。

2 變頻節能相關原理探討

2.1 變頻原理

從理論上我們可知，電機的轉速N與供電頻F有以下關系：N=60×f（1-S）/P

其中：P—電機極數 S—轉差率

由式可知轉速N與F成正比，如果不改變電動機的機數，只要改變頻率F即可改變電動機的轉速，當F在0～50Hz范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬，變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現調速的，是一種高效，高性能的調速手段。

2.2 節能調速原理

一般使用的水泵，它們的額定水量都超過實際需要，又因工藝需要，往往在運行中通過改變水量的閥門來調節的。方法雖然簡單，但是浪費電能較大，屬于不經濟的調節方式。從流體力學原理可知，水泵的流量與電機轉速及電機功率的關系如下：當水泵轉速下降時，電動機的功率迅速下降。通過流體力學定律可知，泵類設備屬于平方轉矩負載。其轉速n與流量Q，壓力H及軸功率p具有如下關系。

Q∝n，H∝n2 p∝n3即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速度的立方成正比。

2.3 變頻器的電壓與頻率成比例的改變原因

異步電動機的轉矩是電機的磁通與轉子內流過電流之間相互作用而產生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴重時將燒壞電機，因此，頻率與電壓要成比例的改變，即改變頻率的同時，控制變頻器的輸出電壓，使電動機的磁通過保持一定，避免弱磁和磁飽和現象的產生，這就是節能型變頻器。電動機使用工頻電源驅動時，電壓下降則電流增加，但對于變頻器驅動，如果頻率下降時電壓下降，即電機轉速下降，電流也下降。

2.4 采用變頻器調速，輸出轉矩分析

當變頻方式運行時，隨著電機的加速，應提高相應頻率和電壓，啟動電流被限制在150%額定電流以下。但用工頻啟動時，起動電流為6～7倍的額定電流。采用變頻器傳動，可以平滑地起動，起動電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動轉矩為70%～120%額定轉矩。變頻器驅動時的起動轉矩和最大轉矩要小于直接用于工頻電源驅動時的起動轉矩和最大轉矩。例如，工頻起動時，會產生一個較大的沖擊，而當使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率時逐步加到電極上的，所以，電機的起動轉矩要小于工頻起動的轉矩值。在運行過程中，電動機產生的轉矩要隨頻率的減小而減小。

2.5 變頻器采用V/F控制的特點

V/F控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機的電壓，使電動機磁通過保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的效率，功率因數不下降，因為是控制電壓與頻率之比，稱為V/F控制.V/F控制的特點：（1）低速性能較差，轉速極低時，電磁轉矩無法克服較大的靜摩擦力，不能恰當的調整電動機的轉矩補償和適應負載轉矩的變化。（2）是無法實際控制電動機的實際轉速。由于V/F是開環控制，由異步電動機的特性曲線可知，設定值為額定頻率，也就是理想空載轉速，而電動機的實際轉速由轉差率所決定，所以V/F控制方式無法準確控制電動機的實際轉速。（3）頻率下降時，完全成比例的降低電壓，那么由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速時產生轉矩有減少的傾向。因此，在低頻時要使輸出電壓略高一些，以便獲得起動轉矩。（4）恒磁通調速，因為設計電動機時，總是讓電動機在額定頻率和電壓下工作時的氣隙磁通接近磁通飽和值，因此，在電動機變頻調速時，要保持每極磁通量為額定值不變.如果過分增大磁通又會是鐵心過分飽和，從而導致勵磁電流急劇增加.繞組過分發熱，功率因數降低，嚴重時會因繞組嚴重過熱而損壞電動機，故而希望在頻率變化時，仍保持磁通恒定，即實現恒磁通調速。

2.6 V/F控制變頻器的起動頻率

啟動頻率是指變頻器啟動時的初始輸出頻率，設定合適的啟動頻率，可以有較高的起動轉矩，對于某些靜止狀態下摩擦力較大的現象，在啟動瞬間可獲得一些沖擊。啟動頻率持續時間，是指變頻器在啟動頻率下保持運行的時間?？梢钥闯?，在變頻器啟動升速過程中，當給定頻率小于啟動頻率時，變頻器輸出為0。

3 變頻器節能探討

4 變頻器的運程控制

什么是變頻器的運程控制。在許多場合，電動機與操作室距離較遠，如將變頻器安裝在現場，不便與工人的觀察與操作，如安裝在室內，則動力線拉的距離太遠，成本高且對變頻器本身及系統中其他設備造成干擾。變頻器運程控制器是一種實現變頻器運程操作的智能儀表。通過以RS485網絡遠程控制變頻器的啟動，停止，加速，減速，并實時顯示變頻器的工作頻率，轉速等運行信息。

現在使用的變頻器是采用交—直—交方式（V/F變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率，電壓可調的交流電源供給電動機。

變頻器主要有整流，濾波，再次整流（直變交）制動單元，驅動單元，檢測單元等微處理單元組成。

5 變頻器的可靠性分析

5.1 模塊的過熱保護

變頻器的故障率隨溫度升高而成抬數的上升，使用壽命隨溫度升高而成抬數的下降，環境溫度每升高10度，變頻器壽命減半。變頻器內部設備的檢測元件，當溫度超過一定值時，變頻器將跳閘。

5.2 過電流保護功能。

（1）電動機堵轉。（2）變頻器輸出側短路。（3）運行過程中加速過電流。（4）變頻自身引起的過電流。

5.3 過載保護功能

過載保護功能是保護電機過載的，從根本上說，對電動機進行過載保護的目的，就是使電動機不因過熱而燒壞，依據是電動機的溫升不應該超過其額定值。

5.4 過電壓保護功能。

（1）電網電壓過高時，跳閘保護。

（2）降速過電壓。

5.5 欠電壓保護

（1）電網電壓過低或缺相。

（2）變頻器整流橋燒壞。

變頻器在上述情況下都能可靠的進行跳閘，能夠起到可靠的保護作用。

6 結語

由于變頻器供電的特殊性，在設計中首先要考慮的是電動機能與變頻器很好的進行匹配，并且在較寬的范圍內實現良好的運行。在使用中根據負荷情況合理安排水泵的運行臺數，確實提高變頻調速的經濟效益。

參考文獻

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