變頻器調(diào)試和工程應(yīng)用技術(shù) [變頻器在建筑工程中的應(yīng)用]

　　1.變頻器介紹 　　變頻技術(shù)是從60年代開始的一門電機(jī)應(yīng)用技術(shù)。從電力電子器件中的SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)等開始發(fā)展，在今天更有IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)等新型電力變換器件。同時(shí)，在70年代脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速開始得到了應(yīng)用。在80年代，以PWM模式優(yōu)化問(wèn)題為變頻技術(shù)核心的技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，并且得到了市場(chǎng)的廣泛推廣。
　　我國(guó)在90年代開始，隨著大功率晶體管技術(shù)的成熟和成本的降低，同時(shí)控制技術(shù)也在計(jì)算機(jī)的扶助下有了更強(qiáng)大的支持，在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。變頻技術(shù)在工業(yè)以外也得到了更多的應(yīng)用，在促進(jìn)民用建筑節(jié)能的今天，變頻技術(shù)作為可以大量節(jié)省能源的技術(shù)更得到了建設(shè)者和設(shè)計(jì)者的青睞。
　　1.1變頻調(diào)速器
　　變頻調(diào)速器也稱變頻器，全稱為變頻變壓調(diào)速器VVVFI(variablevoltage&variablefrequencyinverter)。變頻器主要是采用晶體管GTR作為功率元件，以單片機(jī)和集成電路為控制部件，采用正弦脈寬調(diào)制方式的機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著功率元件的發(fā)展和計(jì)算技術(shù)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)上體積小，重量輕的變頻器無(wú)論在成本和節(jié)能上都優(yōu)于傳統(tǒng)的變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速等電機(jī)調(diào)速方式。這種電機(jī)調(diào)速的應(yīng)用正從交流電機(jī)向直流電機(jī)延伸。
　　在建筑設(shè)備系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量控制和水泵的流量控制，在傳統(tǒng)電機(jī)中很少采用轉(zhuǎn)速控制方式的，多數(shù)是以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)需要進(jìn)行風(fēng)量、流量調(diào)節(jié)時(shí)，主要以調(diào)節(jié)擋板或節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種控制簡(jiǎn)單但是會(huì)浪費(fèi)大量的能源。采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量可以節(jié)約能源、提高運(yùn)營(yíng)成本。
　　1.2基本原理
　　以新風(fēng)機(jī)為例，調(diào)速運(yùn)行節(jié)電的理論之一是風(fēng)機(jī)學(xué)比例律。由風(fēng)機(jī)學(xué)比例律可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.因此，降低水泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就有可能使單位供水量或風(fēng)量的電耗減少。水泵也遵循這個(gè)規(guī)律，對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量Q，揚(yáng)程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系：流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.由此可見，當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多。
　　變頻器通過(guò)改變電機(jī)頻率而達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速的目的。對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量，就是通過(guò)壓力變送器檢測(cè)風(fēng)壓，并將風(fēng)壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，反饋給變頻器內(nèi)單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)風(fēng)壓情況調(diào)整風(fēng)機(jī)電機(jī)輸入頻率，從而使水泵轉(zhuǎn)速改變.例如，在非人流高峰時(shí)，風(fēng)機(jī)減速運(yùn)行，從而使風(fēng)機(jī)輸入功率減少，達(dá)到節(jié)能的目的。這就是變頻調(diào)節(jié)節(jié)能的基本原理。
　　1.3控制
　　變頻調(diào)速器可以手動(dòng)控制也可以自動(dòng)控制。自動(dòng)控制信號(hào)遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用4～20mA電流信號(hào)或0～5V電壓信號(hào)；采用閉環(huán)控制的方法可以更好地滿足自動(dòng)控制的要求。在建筑設(shè)備自動(dòng)化的今天，自動(dòng)型號(hào)可以遠(yuǎn)傳到中央控制室，進(jìn)行中央控制。中央控制不僅可以做到監(jiān)控報(bào)警一體化，同時(shí)也可以在整體上減少系統(tǒng)的遲滯效應(yīng)和系統(tǒng)的抖動(dòng)。
　　
　　2.變頻器的應(yīng)用
　　2.1變頻器的應(yīng)用范圍
　　變頻調(diào)速器已經(jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，雖然廠家之間的參數(shù)有所出入，但是對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)基本型號(hào)都可以進(jìn)行匹配。在建筑設(shè)備行業(yè)中水泵和風(fēng)機(jī)作為建筑能耗的主要部分，其節(jié)能應(yīng)用集中，是樓宇節(jié)能的主要控制方向。在現(xiàn)代化賓館及辦公大樓中，風(fēng)機(jī)、水泵的用電量占整個(gè)建筑平時(shí)用電量的40%～50%，約占整個(gè)動(dòng)力用電的50%～75%。
　　2.2變頻器的優(yōu)點(diǎn)
　　采用正弦脈寬調(diào)制控制方式中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)較為接近圓形磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能克服電壓型逆變器控制中電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)距脈動(dòng)過(guò)大的缺點(diǎn)。一體化的變頻調(diào)速器主要優(yōu)點(diǎn)有：節(jié)能省電、操作簡(jiǎn)便、精確可調(diào)、數(shù)字顯示、在線無(wú)級(jí)調(diào)速、監(jiān)控一體化、遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。
　　2.3選型原則
　　在選型前，首先要根據(jù)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速(最高、最低)和轉(zhuǎn)矩(起動(dòng)、連續(xù)及過(guò)載)的要求，確定最大輸入功率(即電機(jī)的額定功率最小值)。然后，選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個(gè)調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費(fèi)，可允許電機(jī)短時(shí)超出同步速度，但必須小于電機(jī)允許的最大速度。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行、過(guò)載或最高速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機(jī)的功率和額定電流確定變頻器的參數(shù)與型號(hào)。
　　2.4變頻器容量的選擇
　　大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過(guò)變頻器額定電流是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)額定電流要大于普通鼠籠異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多數(shù)是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保持在無(wú)故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過(guò)變頻器的額定電流。
　　
　　3.變頻器應(yīng)用問(wèn)題分析
　　3.1容量與負(fù)荷之間的匹配問(wèn)題
　　電機(jī)負(fù)荷節(jié)能是最重要一環(huán)，考慮到匹配電機(jī)可以超負(fù)荷20％計(jì)算，變頻器一般設(shè)計(jì)裕量應(yīng)控制在8%左右，這種從設(shè)備上提出流量時(shí)加系數(shù)，選泵時(shí)加系數(shù)，選電動(dòng)機(jī)時(shí)還加系數(shù)，以致部分系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率極低。在建筑設(shè)備中，由于負(fù)荷變化，季節(jié)變化等因素，負(fù)荷也不是恒定不變的，而且變化范圍還是很大的，這種對(duì)流量變化較大的負(fù)荷采用變頻調(diào)速效果是顯而易見的，而且負(fù)荷變化范圍越大，節(jié)能效果越好。但是一些恒風(fēng)量和恒流量的系統(tǒng)中就要考慮是否適合使用變頻器了。
　　3.2抑制高次諧波
　　變頻器產(chǎn)生的高次諧波，并且引起電網(wǎng)電壓波形的畸變。在相同條件下電網(wǎng)有效容量越小，變頻器容量越大，這種影響越嚴(yán)重。這種對(duì)電網(wǎng)的污染，會(huì)使電力電容、電抗器、變壓器容易發(fā)熱，并產(chǎn)生電磁諧振，電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗，繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作等。各國(guó)對(duì)電壓畸變和諧波控制都有相應(yīng)的規(guī)定，我國(guó)GB12668-90中規(guī)定，電壓畸變率小于10%，任何奇次諧波均不超過(guò)5%，任何偶次諧波均不超過(guò)2%。使用變頻器后，在電網(wǎng)局部會(huì)超過(guò)國(guó)標(biāo)，所以一定要采取相應(yīng)的措施。
　　3.3電動(dòng)機(jī)選擇
　　在變頻調(diào)速中，變頻載波頻率高，電動(dòng)機(jī)繞組要有較高耐沖擊電壓。同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)效率下降，轉(zhuǎn)速下降后產(chǎn)生的冷卻效果降低，這些都是必須注意的。在應(yīng)用變頻調(diào)速后，包括變頻器和電動(dòng)機(jī)損壞情況較多。由通用變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，采用PWM變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，定子電流中不可避免的含有高次諧波，電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)和效率將會(huì)更低，負(fù)載運(yùn)行時(shí)的鐵損也會(huì)有所增加。通用的電動(dòng)機(jī)的散熱能力是按額定轉(zhuǎn)速下且進(jìn)行自扇風(fēng)冷考慮的，當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)，其發(fā)熱不變但低速下的散熱能力變差了，可采用另加恒速冷卻風(fēng)扇的辦法或采用較高絕緣等級(jí)的電動(dòng)機(jī)。
　　3.4外部配置的配合問(wèn)題
　　選擇合適的熔斷器和空氣斷路器，以便保護(hù)因內(nèi)部短路對(duì)整流元件的損壞。變頻器的型號(hào)確定后，應(yīng)該在上級(jí)設(shè)置相應(yīng)的熔斷器和空氣斷路器作為保護(hù)開關(guān)，以保護(hù)保護(hù)硅元件。
　　合理選擇變頻器的輸入和輸出電纜。根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯動(dòng)力電纜，但是不應(yīng)該一味追求屏蔽電纜，應(yīng)該似乎環(huán)境來(lái)決定，在輸入側(cè)裝交流電抗器，根據(jù)變頻器安裝場(chǎng)所的其它設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)的要求，若變頻器工作時(shí)已影響這些設(shè)備正常運(yùn)行，可在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器來(lái)抑制由功率元件通斷引起的諧波畸變和傳導(dǎo)輻射。
　　
　　4.結(jié)語(yǔ)
　　工作的重點(diǎn)應(yīng)在如下幾點(diǎn)：1）進(jìn)一步重視變頻器的電氣安全，大力推廣安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的變頻器動(dòng)力系統(tǒng)。2）了解變頻設(shè)備的配電要求，結(jié)合設(shè)備情況確定配電系統(tǒng)。3）了解適用于變頻器建筑的電氣產(chǎn)品。
　　
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