变频器在冶金及矿山工业应用中的问题分析

郑平　孙维波　焦学智

【摘 要】随着社会经济的不断发展，经济发展对于能源和资源的需求越来越大，大量的冶金及矿山工业得到了发展。而随着矢量控制技术的不断改进，交流变频调速技术飞速发展，逐渐进入了可以和直流调速相互竞争，相互媲美的时代。本文针对变频器在冶金矿山工业中的应用问题进行了分析，并提出了相应的改进和解决措施。

【关键词】变频器；冶金及矿山工业；应用问题

0.前言

冶金及矿山工业，主要是针对矿物资源的开采和金属的冶炼，可以为社会提供发展所需的金属材料和矿物能源等，对于社会经济的发展起着巨大的推动作用。随着交流变频调速技术的不断发展，交流电机逐渐走向繁荣，相比于直流电机，具备维护方便，使用寿命长，结构坚固，对恶劣环境的适应能力强等优点，因此，变频调速技术逐渐成为电气传动的发展方向。然而，变频调速自身具备的特殊的运行规律和特点，在冶金及矿山工业的应用中，出现了一些特殊的问题，必须予以重视和解决。

1.变频器概述

变频器，是指利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，一般可以分为两大类，即电压型和电流型，电压型可以将电压源的直流变为交流，其直流回路的滤波是电容，而电流型则是将电流源的直流变为交流，其直流回路滤波是电感。

变频器属于可调速驱动系统的一种，可以应用变频驱动技术，改变交流电动机工作电压的频率和幅度，从而实现交流电动机速度及转矩的平滑控制。在变频器出现之前，对电动机转速的调整需要透过直流电动机才能完成，或者利用内建耦合机的VS电动机，在运转中使用耦合机使电动机的实际转速下降。变频器简化了上述的工作，缩小了设备体积，大幅度降低了维修率。但是需要注意的是，变频器的电源线及电动机线上面通常存在高频切换讯号，会造成电磁干扰，而变频器输入侧的功率因素一般不佳，会产生电源端的谐波，需要不断进行研究和改进。

2.变频器在冶金矿山工业中的应用

在冶金及矿山工业中，使用的相关设备，如高炉除尘风机、炼钢除尘风机、锅炉给水泵等，通常都是使用交流异步电动机进行驱动的，设备的调速方位较广，对于生产的工艺影响较大，同时对环境的影响也相对较大。之前，由于受到技术条件的限制，许多钢铁厂的水泵、风机等设备没有装设调速装置，而是直接采用工频供电，通过相应的阀门或风门对水量和风速进行调节，不仅造成了能源的大量浪费，也使得经济效益难以提高。而如果在其中安装高压变频器，对风机和锅炉等进行变频调速，可以极大地节约电力能源，降低生产经营的成本，提高企业的经济效益。但是，由于变频器自身的特殊性以及运行规律，其在冶金矿山工业的应用中，还存在许多亟待解决的问题，必须予以重视。

2.1转矩补偿功能的应用

为了提高电动机的低频转矩，通常情况下，变频器都设置有转矩补偿功能，可以通过电压补偿和电压矢量控制的方法，对电动机效率进行优化。

2.1.1电压补偿

其基本原理是，在低频时，对定子电压进行适当地提高，补偿定子内阻压降，实现转矩输出的稳定性和平衡性。变频器一般都会同时提供手动补偿和自动补偿两种形式，由于自动补偿只能在加速的情况下发挥作用，因此通常情况下都是通过人工设定补偿曲线的形式进行手动补偿，以避免恒速运转时自动补偿拒动而造成安全事故。

在手动补偿时，对于补偿曲线的设置不能过高，以免系统效率降低导致电机发热，同时也不能过低，避免转矩不足。因此，需要结合低速时阻转矩的实际情况以及模拟事故状态下的阻转矩，对补偿曲线进行初选和设置。在初选时，其数值应该略偏小，之后进行负载试验，根据试验结果，对补偿曲线进行相应地调整，最终得到最为适当的结果。另外，采用电压补偿的方式，可以在5Hz环境下，输出150%的额定转矩。

2.1.2电压矢量控制

其技术原理在于，变频器根据转矩电流和定子阻抗，对压频比进行自动修正，从而实现对定子内阻压降的补偿。

对于小容量的变频器而言，其补偿值需要根据定子阻抗和激磁电流来计算，而对于大中容量的变频器而言，补偿值需要根据定子电阻和功率因数值进行计算。相关参数既可以通过人工输入，亦可以设定为变频器的自动测量。对定子电阻进行测量的常用方法是，对变频器输入20V单相交流电，根据定子电流的数值上升曲线，对定子电阻和时间常数进行计算。为了避免温度对电阻产生的影响，自动测量需要在电机启动时同时进行。相比较电压补偿，电压矢量控制机的方法可以时电机在1Hz的环境下输出150%的额定转矩。

2.2变频器自身的抗干扰

变频器采用的电路属于PWM型逆变电路，在输出过程中会产生较强的高次谐波，对控制电路的正常工作造成一定的干扰和影响。为了避免这种干扰，保证其正常的工作，可以采取以下解决措施：

（1）假设存在给定信号干扰，可以通过在变频器的给定信号输入与地面之间，连接一台电容器，实现对干扰信号的过滤和吸收。

（2）变频器的控制电路使用的电缆应为屏蔽电缆，或者采取绞线的形式进行安装。同时，要将屏蔽电缆的屏蔽层一端接地，一端悬空，不能两端同时接地。为了保证抗干扰效果，最好的处理方法是将屏蔽电缆从变频器直接敷设至设备单元，中间尽量不经过端子排。

（3）要对控制电缆与主线路之间的距离进行调整和控制，保证其不小于100mm，可以允许一定的波动，但是绝对不能在一个导线槽内同时进行敷设。控制电缆与主电路如果因为特殊情况必须进行交叉时，要保证直角交叉。

2.3电机的超速运行

通常情况下，通用型电动机的超速耐力为120%额定转速2min，也就是说，在超速20%运行的情况下，通用型电机可以保持正常运转两分钟，之后就可能出现损毁。因此，在使用变频器对通用型电动机进行调速和控制时，其允许的最高输出频率为62Hz，若超出额定转速，电动机会产生如下问题：

（1）离心力过大，引起叶片、转轴等旋转体零部件的强度下降。

（2）轴承内部润滑油使用寿命缩短。

（3）机械损耗增加，电机温度提高。

（4）产生较大的噪音污染，电动机的振动特性变差。

2极电机对应的50Hz转速已经比较高，一般不能超过这个转速运行，而4极及以上电机在充分考虑上述因素的情况下，可以超出这个限定，但也必须对最高速度进行限制，制定出相应的操作规范。如果电动机长时间处于超速状态，必须对其进行特殊设计。同时，由于在额定频率以上进行调速属于恒功率调速的范围，电动机的输出转矩会随着频率的增加而降低，因此，对于恒转矩类负载，一般情况下只能允许电机在空负载的情况下超速运行。

3.结语

总而言之，在冶金及矿山工业中应用变频器，不仅可以提高设备自身的运行效率，节约大量的能源，还可以有效提高生产效率，其作用是十分巨大的。 [科]

【参考文献】

[1]祁建华，宋志刚.变频器在冶金矿山工业应用中的问题[J].唐钢科技，1998，（2）：1-3.

[2]赵利.浅析变频器的安装与调试[J].科学技术与应用，2011，（3）：44.

[3]周爱珍.变频器在冶金工业中的应用与维护[J].自动化应用，2012，（10）：12，50.