變頻器在冶金及礦山工業(yè)應用中的問題分析

鄭平　孫維波　焦學智

【摘 要】隨著社會經濟的不斷發(fā)展，經濟發(fā)展對于能源和資源的需求越來越大，大量的冶金及礦山工業(yè)得到了發(fā)展。而隨著矢量控制技術的不斷改進，交流變頻調速技術飛速發(fā)展，逐漸進入了可以和直流調速相互競爭，相互媲美的時代。本文針對變頻器在冶金礦山工業(yè)中的應用問題進行了分析，并提出了相應的改進和解決措施。

【關鍵詞】變頻器；冶金及礦山工業(yè)；應用問題

0.前言

冶金及礦山工業(yè)，主要是針對礦物資源的開采和金屬的冶煉，可以為社會提供發(fā)展所需的金屬材料和礦物能源等，對于社會經濟的發(fā)展起著巨大的推動作用。隨著交流變頻調速技術的不斷發(fā)展，交流電機逐漸走向繁榮，相比于直流電機，具備維護方便，使用壽命長，結構堅固，對惡劣環(huán)境的適應能力強等優(yōu)點，因此，變頻調速技術逐漸成為電氣傳動的發(fā)展方向。然而，變頻調速自身具備的特殊的運行規(guī)律和特點，在冶金及礦山工業(yè)的應用中，出現了一些特殊的問題，必須予以重視和解決。

1.變頻器概述

變頻器，是指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，一般可以分為兩大類，即電壓型和電流型，電壓型可以將電壓源的直流變?yōu)榻涣?，其直流回路的濾波是電容，而電流型則是將電流源的直流變?yōu)榻涣?，其直流回路濾波是電感。

變頻器屬于可調速驅動系統(tǒng)的一種，可以應用變頻驅動技術，改變交流電動機工作電壓的頻率和幅度，從而實現交流電動機速度及轉矩的平滑控制。在變頻器出現之前，對電動機轉速的調整需要透過直流電動機才能完成，或者利用內建耦合機的VS電動機，在運轉中使用耦合機使電動機的實際轉速下降。變頻器簡化了上述的工作，縮小了設備體積，大幅度降低了維修率。但是需要注意的是，變頻器的電源線及電動機線上面通常存在高頻切換訊號，會造成電磁干擾，而變頻器輸入側的功率因素一般不佳，會產生電源端的諧波，需要不斷進行研究和改進。

2.變頻器在冶金礦山工業(yè)中的應用

在冶金及礦山工業(yè)中，使用的相關設備，如高爐除塵風機、煉鋼除塵風機、鍋爐給水泵等，通常都是使用交流異步電動機進行驅動的，設備的調速方位較廣，對于生產的工藝影響較大，同時對環(huán)境的影響也相對較大。之前，由于受到技術條件的限制，許多鋼鐵廠的水泵、風機等設備沒有裝設調速裝置，而是直接采用工頻供電，通過相應的閥門或風門對水量和風速進行調節(jié)，不僅造成了能源的大量浪費，也使得經濟效益難以提高。而如果在其中安裝高壓變頻器，對風機和鍋爐等進行變頻調速，可以極大地節(jié)約電力能源，降低生產經營的成本，提高企業(yè)的經濟效益。但是，由于變頻器自身的特殊性以及運行規(guī)律，其在冶金礦山工業(yè)的應用中，還存在許多亟待解決的問題，必須予以重視。

2.1轉矩補償功能的應用

為了提高電動機的低頻轉矩，通常情況下，變頻器都設置有轉矩補償功能，可以通過電壓補償和電壓矢量控制的方法，對電動機效率進行優(yōu)化。

2.1.1電壓補償

其基本原理是，在低頻時，對定子電壓進行適當地提高，補償定子內阻壓降，實現轉矩輸出的穩(wěn)定性和平衡性。變頻器一般都會同時提供手動補償和自動補償兩種形式，由于自動補償只能在加速的情況下發(fā)揮作用，因此通常情況下都是通過人工設定補償曲線的形式進行手動補償，以避免恒速運轉時自動補償拒動而造成安全事故。

在手動補償時，對于補償曲線的設置不能過高，以免系統(tǒng)效率降低導致電機發(fā)熱，同時也不能過低，避免轉矩不足。因此，需要結合低速時阻轉矩的實際情況以及模擬事故狀態(tài)下的阻轉矩，對補償曲線進行初選和設置。在初選時，其數值應該略偏小，之后進行負載試驗，根據試驗結果，對補償曲線進行相應地調整，最終得到最為適當的結果。另外，采用電壓補償的方式，可以在5Hz環(huán)境下，輸出150%的額定轉矩。

2.1.2電壓矢量控制

其技術原理在于，變頻器根據轉矩電流和定子阻抗，對壓頻比進行自動修正，從而實現對定子內阻壓降的補償。

對于小容量的變頻器而言，其補償值需要根據定子阻抗和激磁電流來計算，而對于大中容量的變頻器而言，補償值需要根據定子電阻和功率因數值進行計算。相關參數既可以通過人工輸入，亦可以設定為變頻器的自動測量。對定子電阻進行測量的常用方法是，對變頻器輸入20V單相交流電，根據定子電流的數值上升曲線，對定子電阻和時間常數進行計算。為了避免溫度對電阻產生的影響，自動測量需要在電機啟動時同時進行。相比較電壓補償，電壓矢量控制機的方法可以時電機在1Hz的環(huán)境下輸出150%的額定轉矩。

2.2變頻器自身的抗干擾

變頻器采用的電路屬于PWM型逆變電路，在輸出過程中會產生較強的高次諧波，對控制電路的正常工作造成一定的干擾和影響。為了避免這種干擾，保證其正常的工作，可以采取以下解決措施：

（1）假設存在給定信號干擾，可以通過在變頻器的給定信號輸入與地面之間，連接一臺電容器，實現對干擾信號的過濾和吸收。

（2）變頻器的控制電路使用的電纜應為屏蔽電纜，或者采取絞線的形式進行安裝。同時，要將屏蔽電纜的屏蔽層一端接地，一端懸空，不能兩端同時接地。為了保證抗干擾效果，最好的處理方法是將屏蔽電纜從變頻器直接敷設至設備單元，中間盡量不經過端子排。

（3）要對控制電纜與主線路之間的距離進行調整和控制，保證其不小于100mm，可以允許一定的波動，但是絕對不能在一個導線槽內同時進行敷設?？刂齐娎|與主電路如果因為特殊情況必須進行交叉時，要保證直角交叉。

2.3電機的超速運行

通常情況下，通用型電動機的超速耐力為120%額定轉速2min，也就是說，在超速20%運行的情況下，通用型電機可以保持正常運轉兩分鐘，之后就可能出現損毀。因此，在使用變頻器對通用型電動機進行調速和控制時，其允許的最高輸出頻率為62Hz，若超出額定轉速，電動機會產生如下問題：

（1）離心力過大，引起葉片、轉軸等旋轉體零部件的強度下降。

（2）軸承內部潤滑油使用壽命縮短。

（3）機械損耗增加，電機溫度提高。

（4）產生較大的噪音污染，電動機的振動特性變差。

2極電機對應的50Hz轉速已經比較高，一般不能超過這個轉速運行，而4極及以上電機在充分考慮上述因素的情況下，可以超出這個限定，但也必須對最高速度進行限制，制定出相應的操作規(guī)范。如果電動機長時間處于超速狀態(tài)，必須對其進行特殊設計。同時，由于在額定頻率以上進行調速屬于恒功率調速的范圍，電動機的輸出轉矩會隨著頻率的增加而降低，因此，對于恒轉矩類負載，一般情況下只能允許電機在空負載的情況下超速運行。

3.結語

總而言之，在冶金及礦山工業(yè)中應用變頻器，不僅可以提高設備自身的運行效率，節(jié)約大量的能源，還可以有效提高生產效率，其作用是十分巨大的。 [科]

【參考文獻】

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