變頻器的應用誤區
2010-04-21
[1974]
變頻器的應用誤區1，設備工作原理簡介。
一些文獻宣稱變頻調速器是節電控制產品，給人的感覺是只要使用變頻調速器都能節電。
實際上，變頻調速器之所以能夠節電，是因為其能對電動機進行調速。如果說變頻調速器是節電控制產品的話，那么所有的調速設備也都可以說是節電控制產品。變頻調速器只不過比其它調速設備效率和功率因數略高罷了。
變頻調速器能否實現節電，是由其負載的調速特性決定的。對于離心風機、離心水泵這類負載，轉矩與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比。只要原來采用閥門控制流量，且不是滿負荷工作，改為調速運行，均能實現節電。當轉速下降為原來的80%時，功率只有原來的51.2%。可見，變頻調速器在這類負載中的應用，節電效果zui為明顯。對于羅茨風機這類負載，轉矩與轉速的大小無關，即恒轉矩負載。若原來采用放風閥放走多余風量的方法調節風量，改為調速運行，也能實現節電。當轉速下降為原來的80%時，功率為原來的80%。比在離心風機、離心水泵中的應用節電效果要小得多。對于恒功率負載，功率與轉速的大小無關。水泥廠恒功率負載，如配料皮帶秤，在設定流量一定的條件下，當料層厚時，皮帶速度減慢；當料層薄時，皮帶速度加快。變頻調速器在這類負載中的應用，不能節電。
與直流調速系統比較，直流電動機比交流電動機效率高、功率因數高，數字直流調速器與變頻調速器效率不相上下，甚至數字直流調速器比變頻調速器效率略高。所以，宣稱使用交流異步電動機和變頻調速器比使用直流電動機和直流調速器要節電，理論和實踐證明，這是不正確的。
誤區2、變頻器的容量選擇以電動機額定功率為依據
相對于電動機來說，變頻調速器的價格較貴，因此在保證安全可靠運行的前提下，合理地降低變頻調速器的容量就顯得十分有意義。
變頻調速器的功率指的是它適用的4極交流異步電動機的功率。
由于同容量電動機，其極數不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數的增多，電動機額定電流增大。變頻調速器的容量選擇不能以電動機額定功率為依據。同時，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻調速器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據。這是因為，電動機的容量選擇要考慮zui大負荷、富裕系數、電動機規格等因素，往往富裕量較大，工業用電動機常常在50%～60%額定負荷下運行。若以電動機額定電流為依據來選擇變頻調速器的容量，留有富裕量太大，造成經濟上的浪費，而可靠性并沒有因此得到提高。
對于鼠籠式電動機，變頻調速器的容量選擇應以變頻器的額定電流大于或等于電動機的zui大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以zui大限度地節約資金。對于重載起動、高溫環境、繞線式電動機、同步電動機等條件下，變頻調速器的容量應適當加大。
對于一開始就采用變頻器的設計中，變頻器容量的選擇以電動機額定電流為依據無可厚非。這是因為此時變頻器容量不能以實際運行情況來選擇。當然，為了減少投資，在有些場合，也可先不確定變頻器的容量，等設備實際運轉一段時間后，再根據實際電流進行選擇。
內蒙古某水泥公司Φ24m×13m水泥磨二級粉磨系統中，有1臺國產N－1500型O－Sepa選粉機，配用電動機型號為Y2－315M－4型，電動機功率為132kW，卻選用FRN160－P9S－4E型變頻器，這種變頻器適用于4極、功率為160kW電動機。投入運行后，zui大工作頻率48Hz，電流只有180A，不到電動機額定電流的70%，電動機本身已有相當的富裕量。而變頻器選用規格又比拖動電動機大1個等級，造成不應有的浪費，可靠性不會因此而提高。
安徽巢湖水泥廠3號石灰石破碎機，其喂料系統采用1500×12000板式喂料機，拖動電動機選用Y225M－4型交流電動機，電動機額定功率45kW，額定電流為84.6A。在進行變頻調速改造前，通過測試發現，板式喂料機拖動電動機正常運行時，三相平均電流僅30A，只有電動機額定電流的35.5%。為了節省投資，選用ACS601－0060－3型變頻器，該變頻器額定輸出電流為76A，適用于4極、功率為37kW電動機，取得了較好的使用效果。
這2個例子一反一正說明了，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻器的容量以實際工況為依據來選擇可大幅度減少投資。
誤區3、用視在功率計算無功補償節能收益
用視在功率計算無功補償節能效果。如文獻[1]原系統風機工頻滿載工作時，電動機運行電流為289A，采用變頻調速時，50Hz滿載運行時的功率因數約為 0.99，電流是257A，這是由于變頻器內部濾波電容產生改善功率因數的作用。節能計算如下：ΔS=UI=×380×（289－257）=21kVA
因此該文認為其節能效果約為單機容量的11%左右。
實際分析：S即表示視在功率，即電壓與電流的乘積，電壓相同時，視在功率節約百分比與電流節約百分比是一回事。在有電抗的電路中，視在功率只是反映了配電系統的允許zui大輸出能力，而不能反映電動機實際消耗的功率。電動機實際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中，雖用實際電流計算，但計算的是視在功率，而不是有功功率。我們知道，電動機實際消耗的功率是由風機及其負載決定的。功率因數的提高并沒有改變風機的負載，也沒有提高風機的效率，風機實際消耗的功率沒有減少。功率因數提高后，電動機運行狀態也沒有改變，電動機定子電流并沒有減少，電動機消耗的有功功率和無功功率都沒有改變。功率因數提高的原因是變頻器內部濾波電容產生無功功率供給了電動機消耗。隨著功率因數提高，變頻器的實際輸入電流減少，從而減少了電網至變頻器之間的線損和變壓器的銅耗。同時，負荷電流減小，給變頻器供電的變壓器、開關、接觸器、導線等配電設備可以帶更多的負載。需要指出的是，如果象該例一樣不考慮線損和變壓器銅耗的節約，而考慮變頻器的損耗，變頻器在50Hz滿載運行時，不僅沒有節能，而且還費電。因此，用視在功率計算節能效果是不對的。
某水泥廠離心風機拖動電動機型號為Y280S－4，額定功率為75kW，額定電壓380V，額定電流140A。在進行變頻調速改造前，閥門全開，通過測試發現，電動機電流70A，只有50%負荷，功率因數為0.49，有功功率為22.6kW，視在功率為4607kVA。在采用變頻調速改造后，閥門全開，額定轉速運行時，三相電網平均電流為37A，從而認為節電（70－37）÷70×100%=44.28%。這樣計算，看似合理，實質上仍是以視在功率計算節能效果。該廠在進一步測試后發現，此時功率因數為0.94，有功功率為22.9kW，視在功率為24.4kVA。可見，有功功率增加，不但沒有節電，反而費電。有功功率增加的原因是考慮了變頻器的損耗，而沒有考慮線損和變壓器銅耗的節約。產生這種錯誤的關鍵在于沒有考慮功率因數提高對電流下降的影響，默認功率因數不變，從而片面夸大了變頻器的節能效果。因此，在計算節能效果時，必須用有功功率，不能用視在功率。
誤區4、變頻器輸出側不能加裝接觸器
幾乎所有變頻調速器使用說明書都指出，變頻調速器輸出側不能加裝接觸器。如**安川變頻器說明書就規定“切勿在輸出回路連接電磁開關、電磁接觸器”。
廠家的規定是為了防止在變頻調速器有輸出時接觸器動作。變頻器在運行中連接負載，會由于漏電流而使過電流保護回路動作。那么，只要在變頻調速器輸出與接觸器動作之間，加以必要的控制聯鎖，保證只有在變頻調速器無輸出時，接觸器才能動作，變頻調速器輸出側就可以加裝接觸器。這種方案對于只有1臺變頻調速器，2臺電動機（1臺電動機運行，1臺電動機備用）的場合，具有重要的意義。當運行的電動機出現故障時，可以很方便地將變頻器切換到備用電動機，經過延時使變頻器運行，實現備用電動機自動投入變頻運行。并且還可以很方便地實現2臺電動機的互為備用。
誤區5、 通用電動機只能在其額定轉速以下采用變頻調速器降速運行
經典理論認為，通用電動機頻率上限為55Hz。這是因為當電動機轉速需要調到額定轉速以上運行時，定子頻率將增加到高于額定頻率（50Hz）。這時，若仍按恒轉矩原則控制，則定子電壓將升高超過額定電壓。那么，當調速范圍高于額定轉速時,須保持定子電壓為額定電壓不變。這時，隨著轉速/頻率的上升，磁通將減少，因此在同一定子電流下的轉矩將減小，機械特性變軟，電動機的過載能力大幅度減少。
由此可見，通用電動機頻率上限為55Hz是有前提條件的：
1、定子電壓不能超過額定電壓；
2、電動機在額定功率運行；
3、恒轉矩負載。
上述情況下，理論和試驗證明，若頻率超過55Hz，將使電動機轉矩變小，機械特性變軟，過載能力下降，鐵耗急增，發熱嚴重。
筆者認為，電動機實際運行狀況表明，通用電動機可以通過變頻調速器進行提速運行。能否變頻提速?能提多少?主要是由電動機拖動的負載來決定的。首先，要弄清負荷率是多少?其次，要搞清楚負載特性，根據負載的具體情況，進行推算。簡單分析如下：
1、事實上，對于380V通用電動機，定子電壓超過額定電壓10%*運行是可以的，對電動機絕緣及壽命沒有影響。定子電壓提高，轉矩顯著增大，定子電流減少，繞組溫度下降。
2、電動機負荷率通常為50%～60%
一般情況下，工業用電動機通常在50%～60%額定功率下工作。經推算，電動機輸出功率為70%額定功率，定子電壓提高7%時，定子電流下降26.4%，此時，即使是恒轉矩控制，采用變頻調速器提高電動機轉速20%，定子電流也不但不會上升，反而會下降。盡管提高頻率后，電動機鐵耗急增，但由其產生的熱量與定子電流下降而減少的熱量相比甚微。因此，電動機繞組溫度也將明顯下降。
3、負載特性各種各樣
電動機拖動系統是為負載服務的，不同的負載，機械特性不同。電動機在提速后必須滿足負載機械特性的要求。經推算恒轉矩負載不同負荷率（k）時的允許zui高運行頻率（fmax）與負荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe為額定工頻。對恒功率負載，通用電動機的允許zui高工作頻率主要受電動機轉子和轉軸的機械強度限制，筆者認為一般限制在100Hz以內為宜。
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