變頻器在神東集團各選煤廠的應用及問題

文/李兆坤

變頻器在神東集團各選煤廠的應用及問題

文/李兆坤

隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器得到了非常廣泛的應用。選煤廠應用了大量的變頻器，主要控制皮帶、泵類、風機類負載。變頻器有很多種品牌，每個品牌都有很多種系列，因此在選型時對技術性能和經濟指標進行綜合考慮，合理的選擇相應的變頻器規格容量變得尤為重要。同時變頻器及其附屬設備的調試、日常維護及維修工作量較大，給選煤廠日常維護造成一定難度。本文針對變頻器的以上問題，對現有變頻器各品牌分析利弊，選擇合理的變頻器類型；又對現場的實際應用情況進行分析，從變頻原理、應用環境、電網質量、使用維護等方面，對選煤廠變頻器的常見問題分析并提出合理解決方法，最大限度的提高設備使用效率。

變頻器 問題分析 問題處理

1 變頻器調速原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調的交流電源。現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），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、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

2 變頻器元件作用

整流電路：由六個整流二極管組成不可控全波整流橋。對于380V的額定電源，一般二極管反向耐壓值應選1200V，二極管的正向電流

為電機額定電流的1.414-2倍。

電容C1：是吸收電容,整流電路輸出是脈動的直流電壓，必須加

以濾波。

變壓器：一種常見的電氣設備，可用來把某種數值的交變電壓變換為同頻率的另一數值的交變電壓，也可以改變交流電的數值及變換阻抗或改變相位。

壓敏電阻：有三個作用,一過電壓保護,二耐雷擊要求,三安規測試需要。

熱敏電阻：過熱保護。

霍爾：安裝在UVW的其中二相,用于檢測輸出電流值。選用時額定電流約為電機額定電流的2倍左右。

充電電阻：是防止開機上電瞬間電容對地短路，燒壞儲能電容開機前電容二端的電壓為0V；所以在上電（開機）的瞬間電容對地為短路狀態。如果不加充電電阻在整流橋與電解電容之間，則相當于380V電源直接對地短路，瞬間整流橋通過無窮大的電流導致整流橋炸掉。一般而言變頻器的功率越大，充電電阻越小。充電電阻的選擇范圍一般為：10-300Ω。

儲能電容：又叫電解電容，在充電電路中主要作用為儲能和濾波。PN端的電壓電壓工作范圍一般在 430VDC～700VDC 之間，而一般的高壓電容都在 400VDC左右，為了滿足耐壓需要就必須是二個400VDC的電容串起來作800VDC。容量選擇≥60uf/A

均壓電阻：防止由于儲能電容電壓的不均燒壞儲能電容；因為二個電解電容不可能做成完全一致，這樣每個電容上所承受的電壓就可能不同，承受電壓高的發熱嚴重（電容里面有等效串聯電阻）或超過耐壓值而損壞 。

C2電容：吸收電容,主要作用為吸收IGBT的過流與過壓能量。

直-交部分：VT1-VT6逆變管（IGBT絕緣柵雙極型功率管）：構成逆變電路的主要器件，也是變頻器的核心元件。把直流電逆變頻率，幅值都可調的交流電。

續流二極管：作用是把在電動機在制動過程中將再生電流返回直流電提供通道并為逆變管VT1-VT6在交替導通和截止的換相過程中，提供通道。

控制部分:電源板、驅動板、控制板（CPU板）

電源板：開關電源電路向操作面板、主控板、驅動電路、檢測電路及風扇等提供低壓電源,開關電源提供的低壓電源有：±5V、±15V、±24V向CPU其附屬電路、控制電路、顯示面板等提供電源。

驅動板：主要是將CPU生成的PWM脈沖經驅動電路產生符合要求的驅動信號激勵IGBT輸出電壓。控制板（CPU板）：也叫CPU板相當人的大腦，處理各種信號以及控制程序等。

3 變頻器的種類

按供電電壓分：低壓變頻器、中壓變頻器、高壓變頻器

按功能分：通用變頻器、恒功率變頻器、恒轉矩變頻器、平方轉矩風機水泵節能型變頻器、高頻變頻器、防爆型變頻器等

按變頻器的輸出功率分：小功率變頻器、中功率變頻器、大功率變頻器

變頻器根據不同方面分為若干種類，中心選煤廠在使用過程中大致根據以上幾個方面選擇，其中主要應用中、低壓通用類和恒轉矩變頻器，根據負載類型選擇功率不同的輕、重載荷變頻器。

4 變頻器在中心選煤廠的應用

神東集團各選煤廠配備有大量變頻器，主要控制皮帶、泵類、風機類負載，比如輸送帶、入料泵、介質泵、壓風機等，用于調節頻率和設備需求，還有就是為大功率電機節能。由于選煤廠設備多種多樣，所用電壓各有不同，各選煤廠所用變頻器以中、低壓變頻器為主。其中大部分又以ABB、施耐德、西門子品牌變頻器為主要設備，其中ABB變頻器多為ACS800系列變頻器，施耐德變頻器多為Altivar 71和Altivar 78系列變頻器，西門子變頻器多為6SE70系列變頻器。ABB變頻器對電機進行直接轉矩控制，各個電壓等級和功率等級齊全，內置簡易PLC，變頻器尺寸小、噪音低、發熱量小，但是ABB變頻器無中文操作界面，對于現有工人使用和維護造成了一定麻煩，且操作界面復雜；施耐德變頻器專門生產了重載型的Altivar 71系列，且具有全中文的顯示操作界面，使用和維護方便，但施耐德變頻器體積相對較大，發熱量較高，噪聲較大；西門子變頻器通訊較穩定，保護性能高，同功率等級基本負載電流相對小一些，但西門子啟動性能較差，體積較大，內部元件較復雜，維護不方便，無中文顯示界面。

5 變頻器在生產中存在的問題分析

5.1 變頻器沒有實現變頻調速功能，只起到軟啟動作用

各廠現有皮帶類負載基本無自動調速功能；風機、水泵類設備調節措施主要為節流調節，即利用調節閘板或者閥門的開度而改變流量。這種方法雖然簡單，但對設備運行的穩定性影響較大，容易發生“喘振”現象，而且這種方法根本談不上節能，因為設備轉速不變，風壓（水流）特性不變，調節閘板或閥門減少流量，能量被閘板和閥門浪費了。變頻器只起到了一個軟啟動的作用，并沒有實現變頻調速。

對于皮帶類負載，比如矸石皮帶，矸石的量是與煤質有關的，煤質好矸石就少，煤質差矸石就多，所以只要選煤，矸石皮帶就不能停止，但皮帶總保持同一種速度，又比較浪費。這時我們可以利用變頻器實現變頻調速，使皮帶在矸石少時速度降低，矸石多時提高帶速。利用現有的皮帶秤的稱重傳感器輸出的模擬信號，結合PLC程序，將模擬信號傳遞給變頻器，變頻器通過改變頻率改變電機速度，從而調節帶速。

對于風機、水泵類負載，比如介質泵，介質比重大，濃度高，揚程高，只靠調節入口閘門滿足入口壓力使介質泵工況極差，長期滿負荷運行，運行振動大，啟動時間長，功耗大，溫升偏高，設備磨損加大，維修量加大。此時利用變頻器實現變頻調速，使旋流器始終處于合理的工作狀態。通過在介質泵入口安裝壓力測量變送器，測量入口壓力，并轉換為模擬電流信號，傳給PLC，由PLC控制變頻器實現變頻調速。其原理圖如圖1所示。

圖1：介質泵變頻調速過程

5.2 只需軟啟動的設備使用變頻器

神東各選煤廠有些設備是不需要變頻調速，且不需要保持連續運行，比如刮板輸送機、上倉的膠帶輸送帶等，但這些設備仍使用變頻器進行啟動，此時變頻器只起到軟啟動器的作用，沒有發揮變頻器的功能，造成了資源的浪費。這些設備將變頻器更換為軟啟動器更合理，將余下的變頻器用到需要變頻調速的場所。

變頻器較啟動器價格昂貴，且屬于較精密設備，對環境的要求也較高，保養維護較軟啟動器麻煩，所以盡量不要使用變頻器當軟啟動器使用。

5.3 過熱造成變頻器損壞現象嚴重

神東各選煤廠由于過熱原因造成變頻器損壞現象比較嚴重，尤其是在夏季。造成過熱故障原因主要有以下幾個方面：

（1）容量偏小，此時，需要增加容量；

（2）元器件損壞，包括功率器件和檢測器件損壞，此時，要及時更換元器件；

（3）負載過負荷或者存在機械卡阻現象，此時，要及時處理負載部分；

（4）散熱不良，包括灰塵多，風扇故障，風道堵塞，此時，要定期檢查維護，對變頻器定期除塵，在夏季應增加除塵次數。

另外，對于散熱不良問題，應采取增加外置風扇和風道、空調的措施。通過加裝溫控器來自動調節外置風扇的啟停，既能達到加強散熱的效果，又可以減少不必要的浪費。對于配電室內溫度較高的，增加外置風扇后散熱效果也不是很理想，此時，應考慮增加額外的空調將室內溫度排出。但有時增加空調成本較高且不利于自動調節，可以增加一外置風道，直接將變頻器溫度排至室外，這樣既降低變頻器溫度，也不會是室內溫度過高。

5.4 電網電壓不穩造成變頻器損壞現象嚴重

神東各選煤廠均存在電網電壓不穩的現象，給生產帶來了很大的影響。

電網電壓過低，造成變頻器失壓，如果變頻器的逆變器件為GTR時，一旦失壓或停電，控制電路將停止向驅動電路輸出信號，使驅動電路和GTR全部停止工作，電動機將處于自由制動狀態；逆變器件為IGBT時，在失壓后，將允許變頻器繼續工作一個短時間td，若失壓時間to＜td，變頻器將平穩過度運行；若失壓時間to＞td ，變頻器自我保護停止運行。所以盡量選用逆變器件為IGBT的變頻器，盡量延長失壓保護的延時，以減少失壓對生產造成的影響。

電網電壓過高，容易引起電動機磁路飽和，溫升過高，損壞絕緣，影響變頻器直流回路濾波電容器壽命，嚴重時引起電容器爆裂。引起此類故障時，應先檢查變頻器容量，若容量不足，應適當放大容量；檢查變頻器的減速時間是否設置過短，如過短，延長減速時間；檢查電源電壓是否在規定范圍內，若由于供電引起電壓過高切無法降低，在變頻器的輸入端的用空氣開關和壓敏電阻（380V用821K，660V用1410K）組合，在空氣開關上加上壓敏電阻，這樣當有高壓電時壓敏電阻就會短路，空氣開關跳閘，能有效保護變頻器。此種方法在中心各選煤廠暫時還沒有應用，我覺得可以利用此方法對變頻器加以保護。

6 變頻器的日常維護方法

（1）設專人每個季度對選煤廠變頻器進行清掃、吹灰，保持變頻器內部的清潔及風道暢通，同時維護變頻器后，要認真檢查有無遺漏的螺釘及導線等，防止小金屬物品造成變頻器短路事故，檢查螺絲釘、螺栓以及即插件等是否松動，輸入輸出電抗器的對地及相間電阻是否有短路現象。

（2）每月檢查一次變頻器周圍環境，是否清潔、干燥，是否在變頻器附近放置雜物，通過鍵盤面板查閱變頻器的運行參數，掌握變頻器日常運行中電流、電壓、溫度等數據。

（3）測量變頻器（含電動機）絕緣時，應當使用500V兆歐表。如僅對變頻器進行檢測，要拆去所有與變頻器端子連接的外部接線。清潔器件后，將主回路端子全部用導線短接起來，將其與地用兆歐表試驗，如果兆歐表指示在5MΩ以上，說明是正常的，這樣做的目的是減少搖測次數。

（4）每季度對于連續運行的變頻器進行專業化點檢，檢查變頻器運行時是否有異常現象。變頻器的日常點檢檢查工作的內容主要包括：

1.環境溫度是否正常，要求在-10～+40℃范圍內，以25℃左右為好。濕度是否符合要求，門窗通風散熱是否良好；變頻器下進風口、上出風口是否積塵或因積塵過多而堵塞。

2.變頻器顯示面板顯示的輸出電流、電壓、頻率等各種數據是否正常，控制按鍵和調節旋鈕是否失靈。

3.顯示部分是否正常，顯示面板顯示的字符是否清楚，是否缺少字符。

4.用測溫儀器檢測變頻器是否過熱，是否有異味。

5.變頻器風扇運轉是否正常，有無異響，過熱、變色、異味、異聲和異常振動，散熱風道是否通暢。

6.變頻器運行中是否有故障報警顯示。

（5）備用變頻器及備件。備用變頻器執行每半年進行上電一次，一次上電時間不少于3小時。

7 總結

變頻器能達到節能、調速的目的，還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等，因而變頻器在洗煤廠得到廣泛的應用。根據工況和品牌對比合理的選擇變頻器類型，提高設備的利用率。通過對中心選煤廠變頻器各種使用中存在問題分析，提出合理的處理問題方法，能夠物盡其用，減少資源浪費，并能更快更好的處理設備故障，減少故障停機時間，更大的提高生產效率。

[1]孟曉芳.變頻器應用與維修[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2]仲明振.低壓變頻器手冊[M].北京:機械工業出版社,2009.

[3]ABB.ABB變頻器使用說明書[M],2004.

[4]SIEMENS.SIEMENS變頻器使用說明書[M]. 2008.

[5]廣東容濟自動化設備有限公司.變頻器維修技術[M].廣州:廣東科技業出版社,2011.

[6]黃威.變頻器實用技術問答[M].北京：化學工業出版社,2013.

[7]周志敏.變頻器維修入門與故障檢修238例[M].北京:電子工業出版社,2013.

作者單位神華杭錦能源有限責任公司 內蒙古自治區鄂爾多斯市 017400

李兆坤（1982-），男，安徽省濉溪縣人。碩士研究生。現為神華杭錦能源有限責任公司工程師。研究方向機電一體化。