浅析变频器在化工设计中的应用

于坚炜

(中石化南京工程有限公司，江苏 南京 211100)

浅析变频器在化工设计中的应用

于坚炜

(中石化南京工程有限公司，江苏 南京 211100)

众所周知，在工业化生产过程中，特别是在石油化工生产过程中，对物料的压力、液位、流量要进行严格地配量操作，对复杂的操作过程，传统方式是采用固定转速的电动机，用控制阀控制管道中流量的变化来完成整个过程的控制；随着电力电子技术的发展，变频器在工业生产当中的应用越来越广泛，可以通过对电动机变频调速来实现对管道流量变化的控制。因此，对于许多专业设计人员来说，如何正确、合理地应用变频器显得十分重要。本文针对变频器在化工设计中的应用的一些问题做了分析。

变频器； 异步电动机；外接控制回路

1 变频器在工业生产中的意义

(1)变频器的应用是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；

(2)变频器的应用可以节约能源、降低生产成本。

2 异步电动机变频调速的原理、特性及优点

2.1 异步电动机变频调速的原理

对于异步电动机的变频调速，是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差率功率小，效率高。

2.2 异步电动机变频调速的特性

异步电动机变频调速的特性和基本要求是在基速(即电动机自然机械特性速度)以下调速时要求保持电压和频率的比值为定值V/F≈常数，电动机具有恒转矩调速特性；在基速以上，电压额定值一般不再升高，所以电动机磁通将随频率的调高而减小，电动机具有恒转矩调速的特性。由于在低于基速时要求V/F为定值，故常用的变频装置为VVVF(Variable Voltage Variable Fraquency)变压变频控制方式的变频器。

由式n=60f1/p[1]

n——转速；

f1——频率；

P——极对数

可以看出，若均匀地改变供电频率f1,即可平滑地改变电动机的同步转速，因此，它可以通用于各种异步电动机。

(3)变频调速的优点

(1)较高的效率和功率因数。由于异步电动机在调速过程中总是运行在很小的转差率情况下，此时转子的等效电阻很大，转子回路基本上是电阻性的，因而功率因数 COSφ也高。

(2)调速范围宽。频率可以在低于和高于工频电源频率的范围内调节，低频率从几赫兹开始，高频则可达几百赫兹，因而具有较宽的调速范围。

(3) 调速精度高。由于采用微机控制，变频调速系统开环运行时已有相当的精度，若采用速度闭环控制，则可达到很高的调速精度。

3 变频器的选型

3.1 变频器额定容量的选择

选择变频器时，应以电动机的额定电流和负载特性为依据选择变频器的额定容量。变频器的容量通常是以“千瓦”数及相应的额定电流标注的，对于三相变频器而言，该"千瓦"数是指该变频器可以适配的三相异步电动机满载连续运行时的电动机功率。由于变频器输出中包含谐波成分，其电流有所增加，应适当选择大一档容量的变频器与电动机相配合使用。当电动机属于频繁起动、制动工作类型或重载起动且频繁工作类型时，可选取大一档的变频器与之配合使用，有益于变频器长期、安全地运行。除上述情况外，必要时应按下列情况选择或校核需要的变频器容量。

当单台变频器驱动单台电动机时：IV≥kIN

式中：IV——变频器额定输出电流，A；

k——电流波形补偿系数，一般取1.05～1.1；

IN——电动机额定输入电流，A。

从理论上讲，如果电动机负载比其容量小，可以按照电动机的实际负载功率来降低额定容量选择变频器，但在实际应用中，由于存在动态扰动下的峰值电流，如电动机起动过程，运行中的工艺转换过程，负载变化等，且功率大的电动机电流峰值也大，而这个峰值电流的幅值很难预测，有可能超过变频器的允许值而造成故障。其次，如果选用变频器容量偏小，往往不能满足电动机起动和低速运转时的转矩需要，造成起动困难或低频运行不稳定，因此降额选用变频器时应慎重考虑。

3.2 变频器功能的选择

选择变频器时，应考虑负载最小和最大运行速度极限。满载低速运行时，电动机可能会过热，所选变频器应有可设定下限频率、可设定加速和减速时间的功能，以防止电动机在低于设定频率下运行。一般风机、泵类负载不宜在低于15Hz以下运行，如果确实需要在15Hz以下长期运行，需考虑选择变频电动机；如果电动机的起动转矩能满足要求，宜选用变频器的降转矩模式，以获得较大的节能效果。

4 变频器外接主电路

4.1 输入侧的接线

在电源和变频器之间，通常接入低压断路器与交流接触器构成控制系统的主电路。交流接触器的主要作用是达到自动控制的目的，其次是当变频器发生故障时，能迅速切断变频器的电源起到保护作用；低压断路器除了其本身的功能外，还在安装与维护变频器时，起电源隔离作用。在变频器控制柜中，主回路电源侧不宜使用熔断器，以防发生电源缺相故障。目前大部分变频器已具备电源缺相保护的功能，但选择电源开关时也一定要使用低压断路器，避免出现缺相运行的情况。因为电源缺相时，电动机将由于电压不平衡而使其转矩下降，电流增大，甚至严重过电流，可能导致主电路整流元件和滤波电容的损坏。

4.2 输出侧的接线

在大多数情况下，变频器的输出侧应直接接至电动机，一般不允许接入交流接触器，因为变频器本身对电动机有着较强的保护功能，在线路短路、电动机过载、缺相等故障出现时，能自动断开电动机回路，从而保护电动机及其本身，同时给出故障指示，根据故障编码可以查找和排除故障。如必须接入交流接触器时，应确保先接通输出侧交流接触器，后接通输入侧交流接触器，加装的交流接触器的控制电压应引自电源，或另加控制电源，不能取变频器输出端的电压，否则，交流接触器不能正常工作。

变频器的输出侧一般也不接热继电器，但如果用一台变频器拖动多台电动机，变频器的电子热保护设定值是全部电动机的总和，对单台电动机不起保护作用，就必须在每个电动机上加装热继电器，并且将热继电器的辅助报警触点串联起来，接入变频器紧急停机输入端，一旦任何一台电动机故障，热继电器动作，变频器将紧急停机，起到保护作用。

4.3 主电路电缆的选择

(1) 在选择主电路电缆截面时，和普通的动力电缆选择方式相同，应考虑电路中的电流容量、短路保护、电路电压损失，应根据电缆的敷设方式和环境温度将所选电缆的允许载流量乘以相应的校正系数；

(2)在选择变频器与电动机之间的电缆时，当配线距离较长时，线路上的电压损失较大，有时会出现因电压过低而造成电动机转矩不足、电流增加、电动机过热等现象。所以，在决定变频器与电动机之间电缆截面时，最关键的因素是线路的电压损失△U的影响。一般情况下：

△u%≤5%

△u%的计算公式为：△u%=3 1/2 (R0cosφ+X0sinφ)Il[2]

△u%——线路电压损失百分数，%；

R0、X0——三相线路单位长度的电阻和感抗，Ω/km；

I——负荷计算电流，A；

l——线路长度，km。

4.4 控制电路电缆

在变频器中，主回路及其直接相连的周边设备处理的是强电信号，而控制电路以及与其直接相关的操作电路和周边设备中所处理的信号为弱电信号。因此，为了保证变频器正常工作，在控制电路的布线方面也应充分注意，并采取必要的措施避免主电路及相关设备中的强电信号产生的干扰进入控制电路。在控制电路的布线方面应特别注意以下几点：

(1)控制电路的布线应和主电路电缆及其他动力线分开。

(2)为了避免因干扰信号造成的误动作，应采用屏蔽电缆或双绞电缆。

(3)布线距离应以100m为参考基准，当布线距离超过100m时，使用信号绝缘器或继电器对信号进行放大。

(4)在连线时充分注意模拟信号线的极性。

(5)与控制电源本身以及和外部供电电源有关的电路应选用截面在2.5mm2以上的电缆，操作电缆以及信号电路选用截面在1.5mm2以上的电缆。

5 变频器的外接控制电路

图1 变频器的外接控制主回路关于变频器的外接控制，以采用施奈德的ATV系列变频器设计的一个工频切换控制回路为例进行说明。变频器必须满足两点控制要求：(1)用户可根据工作需要选择“工频运行”或“变频运行”；(2)在“变频运行”时，一旦变频器因故障而跳闸时，可自动切换为“工频运行”方式。

主回路如图1所示，接触器KM1用于将电源接至变频器的输入端，KM2用于将变频器的输出端接至电动机，KM3用于将工频电源直接接至电动机，热继电器FH用于工频运行时的过载保护。对控制电路的要求是，接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通，互相间必须有可靠的互锁。

6 结语

综上所述，只有对变频器的选型、系统设计及使用得当，才能发挥变频器在工业生产中节能、高效的作用；反之，可能会造成变频器故障、电动机损坏，影响企业正常生产，给企业造成经济损失。所以，专业设计人员应重视变频器在化工设计中的应用。

[1] 戴广平.电动机变频器与电力拖动[M]. 北京:中国石化出版社, 1999.

[2] 中国航空规划设计研总院有限公司组,工业与民用配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.

(本文文献格式：于坚炜.浅析变频器在化工设计中的应用[J].山东化工，2017，46(12)：151-152，159.)

2017-04-27

于坚炜(1983—)，江苏南京人，中级工程师，本科学历，就职于中石化南京工程有限公司，研究方向为工厂供配电工程。

TM921.51;TQ08

A

1008-021X(2017)12-0151-02