变频器的应用误区
时间：12-12
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功率因数的提高并没有改变风机的负载，也没有提高风机的效率，风机实际消耗的功率没有减少。功率因数提高后，电动机运行状态也没有改变，电动机定子电流并没有减少，电动机消耗的有功功率和无功功率都没有改变。功率因数提高的原因是变频器内部滤波电容产生无功功率供给了电动机消耗。随着功率因数提高，变频器的实际输入电流减少，从而减少了电网至变频器之间的线损和变压器的铜耗。同时，负荷电流减小，给变频器供电的变压器、开关、接触器、导线等配电设备可以带更多的负载。需要指出的是，如果象该例一样不考虑线损和变压器铜耗的节约，而考虑变频器的损耗，变频器在50Hz满载运行时，不仅没有节能，而且还费电。因此，用视在功率计算节能效果是不对的。
某水泥厂离心风机拖动电动机型号为Y280S－4，额定功率为75kW，额定电压380V，额定电流140A。在进行变频调速改造前，阀门全开，通过测试发现，电动机电流70A，只有50%负荷，功率因数为0.49，有功功率为22.6kW，视在功率为4607kVA。在采用变频调速改造后，阀门全开，额定转速运行时，三相电网平均电流为37A，从而认为节电（70－37）÷70×100%=44.28%。这样计算，看似合理，实质上仍是以视在功率计算节能效果。该厂在进一步测试后发现，此时功率因数为0.94，有功功率为22.9kW，视在功率为24.4kVA。可见，有功功率增加，不但没有节电，反而费电。有功功率增加的原因是考虑了变频器的损耗，而没有考虑线损和变压器铜耗的节约。产生这种错误的关键在于没有考虑功率因数提高对电流下降的影响，默认功率因数不变，从而片面夸大了变频器的节能效果。因此，在计算节能效果时，必须用有功功率，不能用视在功率。
误区4、变频器输出侧不能加装接触器
几乎所有变频调速器使用说明书都指出，变频调速器输出侧不能加装接触器。如日本安川变频器说明书就规定“切勿在输出回路连接电磁开关、电磁接触器”。
厂家的规定是为了防止在变频调速器有输出时接触器动作。变频器在运行中连接负载，会由于漏电流而使过电流保护回路动作。那么，只要在变频调速器输出与接触器动作之间，加以必要的控制联锁，保证只有在变频调速器无输出时，接触器才能动作，变频调速器输出侧就可以加装接触器。这种方案对于只有1台变频调速器，2台电动机(1台电动机运行，1台电动机备用)的场合，具有重要的意义。当运行的电动机出现故障时，可以很方便地将变频器切换到备用电动机，经过延时使变频器运行，实现备用电动机自动投入变频运行。并且还可以很方便地实现2台电动机的互为备用。
误区5、变频调速器在离心风机中的应用，可完全取代风机的调节阀门
采用变频调速器对离心风机进行调速来控制风量，与调节阀门控制风量相比,具有明显的节电效果。但在有些场合，变频调速器不能完全取代风机的阀门，在设计中要引起特别注意。为了说明这个问题，我们先从其节电原理谈起。离心风机的风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
如图1所示，曲线(1)为风机在恒速下，风压－风量(H－Q)特性；曲线(2)为管网风阻特性(阀门开度全开)。风机工作在A点时输出风量为Q1，此时轴功率N1与Q1、H1的乘积面积(AH1OQ1)成正比。当风量从Q1减少到Q2，如采用调节阀门方法，使管网阻力特性变到曲线(3)。系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行，风压反而增加，轴功率N2与面积(BH2OQ2)成正比，N1与N2相差不多。如果采用调速控制方式，风机转速由n1降到n2,则风压－风量(H－Q)特性如曲线(4)所示，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3(相当于面积CH3OQ2)随着显著减少，节能效果十分显著。
从上面的分析还可以看出，调节阀门控制风量，随着风量的减少，风压反而增加；而采用变频调速器调速来控制风量，随着风量的减少，风压大幅度下降。风压下降太多，有可能满足不了工艺要求。即如果工况点在曲线(1)、曲线(2)、H轴所围区域内部，单纯地依靠变频调速器调速将无法满足工艺要求，需要和阀门调节结合才能满足工艺要求。某厂引进的变频调速器，在离心风机中的应用中，因没有设计阀门，单纯地依靠变频调速器调速来改变风机工况点，吃尽了苦头。要么转速太高，风量太大；若降低转速，风压又满足不了工艺要求，吹不进风。因此离心风机在使用变频调速器调速节电时，要兼顾风量和风压这2个指标，否则会带来不良的后果。
误区6、通用电动机只能在其额定转速以下采用变频调速器降速运行
经典理论认为，通用电动机频率上限为55Hz。这是因为当电动机转速需要调到额定转速以上运行时，定子频率将增加到高于额定频率(50Hz)。这时，若仍按恒转矩原则控制，则定子电压将升高超过额定电压。那么，当调速范围高于额定转速时,须保持定子电压为额定电压不变。这时，随着转速/频率的上升，磁通将减少，因此在同一定子电流下的转矩将减小，机械特性变软，电动机的过载能力大幅度减少。
由此可见，通用电动机频率上限为55Hz是有前提条件的：
1、定子电压不能超过额定电压；
2、电动机在额定功率运行；
3、恒转矩负载。
上述情况下，理论和试验证明，若频率超过55Hz，将使电动机转矩变小，机械特性变软，过载能力下降，铁耗急增，发热严重。
笔者认为，电动机实际运行状况表明，通用电动机可以通过变频调速器进行提速运行。能否变频提速?能提多少?主要是由电动机拖动的负载来决定的。首先，要弄清负荷率是多少?其次，要搞清楚负载特性，根据负载的具体情况，进行推算。简单分析如下：
1、事实上，对于380V通用电动机，定子电压超过额定电压10%长期运行是可以的，对电动机绝缘及寿命没有影响。定子电压提高，转矩显著增大，定子电流减少，绕组温度下降。
2、电动机负荷率通常为50%～60%
一般情况下，工业用电动机通常在50%～60%额定功率下工作。经推算，电动机输出功率为70%额定功率，定子电压提高7%时，定子电流下降26.4%，此时，即使是恒转矩控制，采用变频调速器提高电动机转速20%，定子电流也不但不会上升，反而会下降。尽管提高频率后，电动机铁耗急增，但由其产生的热量与定子电流下降而减少的热量相比甚微。因此，电动机绕组温度也将明显下降。
3、负载特性各种各样
电动机拖动系统是为负载服务的，不同的负载，机械特性不同。电动机在提速后必须满足负载机械特性的要求。经推算恒转矩负载不同负荷率(k)时的允许最高运行频率(fmax)与负荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe为额定工频。对恒功率负载，通用电动机的允许最高工作频率主要受电动机转子和转轴的机械强度限制，笔者认为一般限制在100Hz以内为宜。
应用实例：
我厂链斗输送机为恒转矩负载，因产量提高，需将其电动机转速提高20%。该电动机型号为Y180L－6，额定功率15kW，额定电压380V，额定电流31.6A，额定转速980r/min，效率89.5%，功率因数0.81，运行电流18～20A，正常时最大运行功率7.5kW，负荷率为50%。安装CIMR－G5A4015型变频调速器后，运行频率60Hz，提高转速20%，变频器输出电压最高设定为410V，电动机运行电流12～15A，下降30%左右，电动机绕组温度明显下降。
误区7、忽视变频器的自身特点
变频调速器的调试工作一般由经销厂家来完成，不会出现什么问题。变频调速器的安装工作较简单，一般由用户来完成。一些用户不认真阅读变频调速器的使用说明书，不严格按照技术要求进行施工，忽视变频器自身特点,将其等同于一般电气器件,凭想当然和经验办事，为故障和事故埋下了隐患。
根据变频调速器的使用说明书的要求，接到电动机的电缆应采用屏蔽电缆或铠装电缆，最好穿金属管敷设。截断电缆的端头应尽可能整齐，未屏蔽的线段尽可能短，电缆长度不宜超过一定的距离（一般为50m）。当变频调速器与电动机间的接线距离较长时，来自电缆的高谐波漏电流会对变频调速器和周边设备产生不利影响。从变频器控制的电动机返回的接地线，应直接连到变频器相应的接地端子上。变频器的接地线切勿与焊机及动力设备共用，且尽可能短。由于变频器产生漏电流，与接地点太远则接地端子的电位不稳定。变频器的接地线的最小截面积必须大于或等于供电
某水泥厂离心风机拖动电动机型号为Y280S－4，额定功率为75kW，额定电压380V，额定电流140A。在进行变频调速改造前，阀门全开，通过测试发现，电动机电流70A，只有50%负荷，功率因数为0.49，有功功率为22.6kW，视在功率为4607kVA。在采用变频调速改造后，阀门全开，额定转速运行时，三相电网平均电流为37A，从而认为节电（70－37）÷70×100%=44.28%。这样计算，看似合理，实质上仍是以视在功率计算节能效果。该厂在进一步测试后发现，此时功率因数为0.94，有功功率为22.9kW，视在功率为24.4kVA。可见，有功功率增加，不但没有节电，反而费电。有功功率增加的原因是考虑了变频器的损耗，而没有考虑线损和变压器铜耗的节约。产生这种错误的关键在于没有考虑功率因数提高对电流下降的影响，默认功率因数不变，从而片面夸大了变频器的节能效果。因此，在计算节能效果时，必须用有功功率，不能用视在功率。
误区4、变频器输出侧不能加装接触器
几乎所有变频调速器使用说明书都指出，变频调速器输出侧不能加装接触器。如日本安川变频器说明书就规定“切勿在输出回路连接电磁开关、电磁接触器”。
厂家的规定是为了防止在变频调速器有输出时接触器动作。变频器在运行中连接负载，会由于漏电流而使过电流保护回路动作。那么，只要在变频调速器输出与接触器动作之间，加以必要的控制联锁，保证只有在变频调速器无输出时，接触器才能动作，变频调速器输出侧就可以加装接触器。这种方案对于只有1台变频调速器，2台电动机(1台电动机运行，1台电动机备用)的场合，具有重要的意义。当运行的电动机出现故障时，可以很方便地将变频器切换到备用电动机，经过延时使变频器运行，实现备用电动机自动投入变频运行。并且还可以很方便地实现2台电动机的互为备用。
误区5、变频调速器在离心风机中的应用，可完全取代风机的调节阀门
采用变频调速器对离心风机进行调速来控制风量，与调节阀门控制风量相比,具有明显的节电效果。但在有些场合，变频调速器不能完全取代风机的阀门，在设计中要引起特别注意。为了说明这个问题，我们先从其节电原理谈起。离心风机的风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
如图1所示，曲线(1)为风机在恒速下，风压－风量(H－Q)特性；曲线(2)为管网风阻特性(阀门开度全开)。风机工作在A点时输出风量为Q1，此时轴功率N1与Q1、H1的乘积面积(AH1OQ1)成正比。当风量从Q1减少到Q2，如采用调节阀门方法，使管网阻力特性变到曲线(3)。系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行，风压反而增加，轴功率N2与面积(BH2OQ2)成正比，N1与N2相差不多。如果采用调速控制方式，风机转速由n1降到n2,则风压－风量(H－Q)特性如曲线(4)所示，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3(相当于面积CH3OQ2)随着显著减少，节能效果十分显著。
从上面的分析还可以看出，调节阀门控制风量，随着风量的减少，风压反而增加；而采用变频调速器调速来控制风量，随着风量的减少，风压大幅度下降。风压下降太多，有可能满足不了工艺要求。即如果工况点在曲线(1)、曲线(2)、H轴所围区域内部，单纯地依靠变频调速器调速将无法满足工艺要求，需要和阀门调节结合才能满足工艺要求。某厂引进的变频调速器，在离心风机中的应用中，因没有设计阀门，单纯地依靠变频调速器调速来改变风机工况点，吃尽了苦头。要么转速太高，风量太大；若降低转速，风压又满足不了工艺要求，吹不进风。因此离心风机在使用变频调速器调速节电时，要兼顾风量和风压这2个指标，否则会带来不良的后果。
误区6、通用电动机只能在其额定转速以下采用变频调速器降速运行
经典理论认为，通用电动机频率上限为55Hz。这是因为当电动机转速需要调到额定转速以上运行时，定子频率将增加到高于额定频率(50Hz)。这时，若仍按恒转矩原则控制，则定子电压将升高超过额定电压。那么，当调速范围高于额定转速时,须保持定子电压为额定电压不变。这时，随着转速/频率的上升，磁通将减少，因此在同一定子电流下的转矩将减小，机械特性变软，电动机的过载能力大幅度减少。
由此可见，通用电动机频率上限为55Hz是有前提条件的：
1、定子电压不能超过额定电压；
2、电动机在额定功率运行；
3、恒转矩负载。
上述情况下，理论和试验证明，若频率超过55Hz，将使电动机转矩变小，机械特性变软，过载能力下降，铁耗急增，发热严重。
笔者认为，电动机实际运行状况表明，通用电动机可以通过变频调速器进行提速运行。能否变频提速?能提多少?主要是由电动机拖动的负载来决定的。首先，要弄清负荷率是多少?其次，要搞清楚负载特性，根据负载的具体情况，进行推算。简单分析如下：
1、事实上，对于380V通用电动机，定子电压超过额定电压10%长期运行是可以的，对电动机绝缘及寿命没有影响。定子电压提高，转矩显著增大，定子电流减少，绕组温度下降。
2、电动机负荷率通常为50%～60%
一般情况下，工业用电动机通常在50%～60%额定功率下工作。经推算，电动机输出功率为70%额定功率，定子电压提高7%时，定子电流下降26.4%，此时，即使是恒转矩控制，采用变频调速器提高电动机转速20%，定子电流也不但不会上升，反而会下降。尽管提高频率后，电动机铁耗急增，但由其产生的热量与定子电流下降而减少的热量相比甚微。因此，电动机绕组温度也将明显下降。
3、负载特性各种各样
电动机拖动系统是为负载服务的，不同的负载，机械特性不同。电动机在提速后必须满足负载机械特性的要求。经推算恒转矩负载不同负荷率(k)时的允许最高运行频率(fmax)与负荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe为额定工频。对恒功率负载，通用电动机的允许最高工作频率主要受电动机转子和转轴的机械强度限制，笔者认为一般限制在100Hz以内为宜。
应用实例：
我厂链斗输送机为恒转矩负载，因产量提高，需将其电动机转速提高20%。该电动机型号为Y180L－6，额定功率15kW，额定电压380V，额定电流31.6A，额定转速980r/min，效率89.5%，功率因数0.81，运行电流18～20A，正常时最大运行功率7.5kW，负荷率为50%。安装CIMR－G5A4015型变频调速器后，运行频率60Hz，提高转速20%，变频器输出电压最高设定为410V，电动机运行电流12～15A，下降30%左右，电动机绕组温度明显下降。
误区7、忽视变频器的自身特点
变频调速器的调试工作一般由经销厂家来完成，不会出现什么问题。变频调速器的安装工作较简单，一般由用户来完成。一些用户不认真阅读变频调速器的使用说明书，不严格按照技术要求进行施工，忽视变频器自身特点,将其等同于一般电气器件,凭想当然和经验办事，为故障和事故埋下了隐患。
根据变频调速器的使用说明书的要求，接到电动机的电缆应采用屏蔽电缆或铠装电缆，最好穿金属管敷设。截断电缆的端头应尽可能整齐，未屏蔽的线段尽可能短，电缆长度不宜超过一定的距离（一般为50m）。当变频调速器与电动机间的接线距离较长时，来自电缆的高谐波漏电流会对变频调速器和周边设备产生不利影响。从变频器控制的电动机返回的接地线，应直接连到变频器相应的接地端子上。变频器的接地线切勿与焊机及动力设备共用，且尽可能短。由于变频器产生漏电流，与接地点太远则接地端子的电位不稳定。变频器的接地线的最小截面积必须大于或等于供电
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