对变频器在工业中的选择与应用的几点探讨

李亮

（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江哈尔滨154007）



对变频器在工业中的选择与应用的几点探讨

李亮

（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江哈尔滨154007）

分析变频器的原理、安装方式和应用，提出其在工业应用中的必要性。

变频器；原理；安装方式；应用

引言

变频器的应用不仅能改进工艺控制水平，还能够实现节电的目的，也能够促进产品质量的提升。随着计算工业化进展，还能够促进中国节约型社会的建设。特别是近年来科学技术水平的不断发展，自动控制技术以及电子信息技术都得到了长足的进步，直流调速取已经实现了取代交流调速的目标，并且成为了当今电机调速的主流技术。此外，由于变频器不仅具有优秀的起制动以及调速性能，还有高功率以及节能效果，因此被认作是未来最具发展潜力的调速方式，会为中国的工业发展注入新的动力。

1　变频器的原理与安装方式

1.1变频器的工作原理

通过电力半导体器件的通断作用，实现将工频电源转换成需要频率的电能控制装置即为变频器。现阶段主流的变频器都是采用矢量控制变频或VVVF变频的方式，能够通过整流器将工频交流电源转换成为直流电源，再将直流电源转换为电压、频率均可以自行控制的交流电源提供给电动机。变频器的电路由四个部分组成，分别是控制、逆变、中间直流环节以及整流构成。其中：逆变部分为三相桥式逆变器，输出为PWM波形；中间直流环节为缓冲无功功率、直流储能以及滤波；整流部分为三相桥式不可控整流器。

1.2变频器的安装方式

变频器的安装方式主要有两种，分别是柜式安装和墙挂式安装。

首先，在环境条件较好的条件下，应尽量采取柜外冷却方式；在采取柜内冷却时，应尽量在单台变频器的正上方安装抽风式冷却风扇；多台变频器应尽量采取并列安装的方式，如果条件有限必须采取纵向方式安装时，应在每两台变频器的中部安装隔板，将其分隔开，但是无论何种安装方式，都不能垂直安装。

此外还有一种墙挂式的安装方式，这种方法只需要保证变频器周围有足够的空间即可，变频器两侧应有100mm以上的空隙，上下两侧则至少有150mm的间隙。

1.3变频器的使用环境条件

虽然变频器能够在绝大多数的条件下正常运转，但是为了保证其安全可靠，至少需要保证工作环境满足下述几项条件，分别是：环境温度应控制在0～40℃的范围内；相对湿度应控制在90%以下；安装位置没有冲击和振动；不受阳光直射，周围无易燃易爆气体，海拔高度低于1 000m等条件。

2　变频器的技术特点与应用

2.1在工艺控制方面的优点与应用

作为最具前途的调速技术，变频器在中国的三相异步电动机调速中的应用频率非常高，已经达到了95%左右。通过变频器的应用，可以实现更宽的调速范围，最高可以达到20∶1；节能效果更为显著，甚至可以达到60%以上的节能效果；更好地启动和制动性能，可以实现设备的软启动、自动平滑加减速以及快速制动的操作；具有更完善的保护功能，可以在过载、过压、欠压、停电、短路、过流、失速等情况下予以设备更好地防护，并且还能够自主判断故障原因并予以显示；能够更为便捷的远程操作［1］。

2.2变频器在泵类负载中的应用

由于通过变频器的使用能够改变电动机的转速，继而实现机泵工况和转速的改变，最终实现扬程、流量等调节，因此变频器在机泵中的应用非常广泛，下面举例进行说明：

某企业内装置区的生产情况极不稳定，因此考虑对装置区内负载变化情况较为剧烈的机泵安装变频器，共计80台，总容量达到了4 200 kW，这其中大多数均为闭环控制系统，即现场一次表经过变送器的将使用将信号传递到PID调节器，在完成调节后，将直流信号通过屏蔽电缆传输到变频器的设定口，以实现控制变频器输出的目的。剩下的这一小部分则为开环控制系统，能够根据控制目标，并通过电位器的给定，来实现控制变频器输出的目的，能够使电动机处在最合理的转速，通过电动机的转速来实现机泵流量的控制，机泵出口阀处在全开状态时，管网的阻力特性曲线与扬程完全符合，在泵出口扬程下降的情况下，电动机的输出功率也会迅速降低，以实现最佳的节能效果。通过使用变频器的方法，不仅实现了工艺质量的提升，大大提高了生产自动化程度，降低了员工劳动强度延长了设备的使用寿命，还能够提高生产效率、达到更高的节电率，创造更好的社会效益与经济效益［2］。

2.3变频器在压缩机中的应用

变频器在压缩机中的应用频率也较高，产生了积极地促进作用。例如某企业使用的两台空气压缩机，保持一开一备的运行方式，单机的额定功率为75 kW，但是在实际的使用过程中，只能保证45 kW左右的输出功率。在这种情况下，压缩机达不到额定工况，负载率较低，操作人员只能够依靠手动操作来进行流量和风压的调节，不仅浪费大量电能，还不容易精确控制。因此通过安装变频器的方式，用PLC来实现自动调节和控制能力的提升，实践证明，这种方法不仅经济效果十分显著，设备运行状态也十分安全可靠。

3　变频器在节能方面的效果

初期的变频器都被用作控制发电机的转速，但是随着技术的不断进步，现阶段已经具有更强的节能效果，并且由于中国是一个能耗大国，不仅能源储备量不足，能源利用率也非常低。根据权威部门统计，在中国的电网总负载中，动力类消耗60%，这其中有90%左右都是消耗在了异步电动机上，中国整个工业用电的70%左右都消耗在了电动机上。因此说，如果通过使用变频器来实现节能，最少能减少2.1×108kW的能耗，不仅给国家节省了大量的能源，也给企业生产降低了成本。

变频器的应用，能够大幅度提高控制精度与电机转速，使电机在最节能的状态下运转。以风机水泵为例，根据流体力学的原理，在用风量减少时，风机的转速会逐渐降低，风机的功率则与转速的三次方的成正比下降；如果要保持水泵的效率，在调节流量下降时，转速也会按比例下降，此时的轴输出功率会以三次方的正比关系下降，即说明水泵电机的耗电功率与转速成三次方的正比关系。通过上述分析，即可发现通过变频器的应用来进行风量、流量的调节，能够获得更好的节电效果，最高能够达到55%的节电率。与此相同的是，很多变动负载电机都是以最大需求来进行电动机的生产，这就造成了设计容量偏大，而实际的使用过程中，绝大多数的使用时间内都是保持在轻载运行状况下，存在着效率低下，电能大量浪费的情况。如果采用安装变频器的方式，可以大大提高电动机轻载工况下的工作效率。因此说变动负载具有非常大的节能潜力。

化工行业作为中国的支柱性产业，一直都是能耗大户，特别是由于近年来自动化控制水平的不断提升，大量的泵和压缩机应用在生产车间内，能耗更是逐年上涨。由于化工企业中的绝大多数泵、和压缩机都处于电动机驱动恒速运转的状态下，如果可以将这些非调速型电机改成调速运行，则可以节省大量的电量，最终实现不可再生能源的节约利用。

4　结语

由于变频器的使用具有非常多的优势，应在加大应用力度的同时，向技术研发方面倾斜足够的资金，保证先进技术能够大量应用在变频器中，特别由于中国工业能耗量巨大，如果可以全部应用变频器，将会给国家节省巨大的能耗，并且为环境保护工作作出相应的贡献。

［1］陆昊.浅析变频调速泵供水原理及实践［J］.变频器世界，2014（3）:69-71.

［2］庞宇.刍议变频优化调压节能供水装置的研制［J］.给水排水，2013（6）:101-102.

（编辑：王璐）

Discussion on the Selection and Application of Frequency Converter in the Industry

Li Liang
（College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Harbin Heilongjiang 154007）

Frequency converter in our country has been widely used in industrial enterprises，and to a certain extent，it has played an important role in promoting industrial development.This paper analyzes the principle，installation and application of frequency converter and points out its importance in industrial application..

frequency converter；principle；installation method；application

TM761122

A

2095-0748（2015）23-0076-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.23.34

2015-10-26

李亮（1994—），男，黑龙江哈尔滨人，佳木斯大学机械工程学院本科生。