中心論題：
- 變頻器的原理及相關(guān)設備的選用
- 變頻調(diào)速改造方案
- 運行情況
解決方案：
- 重新設計了主回路及控制回路
- 將變頻器安裝在遠離工作現(xiàn)場的地方
- 將輸出頻率下限設置為9 Hz
我廠海綿銅處理工序中采用SGZ1000-N 型三足式全自動下部卸料離心機，進行海綿銅固液分離，該設備由主機、輔機、轉(zhuǎn)鼓（以1 200 r/min轉(zhuǎn)動）等組成。傳動系統(tǒng)情況如圖1所示。
由于該離心機是通用設備，它的主機是Y160L-4 型交流電動機，其轉(zhuǎn)速保持在1 460 r/min，因此不可避免地帶來下述問題：不能根據(jù)我廠工藝流程調(diào)節(jié)合適的轉(zhuǎn)速，物料的固液分離不能達到理想的效果；因為我廠的物料組成較為特殊，以至離心機在啟動和運行中震動很大，因此使設備使用壽命大大縮短。
為此我們采用變頻器對離心機的電動機進行控制，結(jié)果使設備的使用壽命延長了12 倍，金屬回收率提高了1倍左右，僅一年節(jié)約的鎳金屬就價值45萬元。該項改造很好地解決了原來設備中存在的問題，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。
變頻器的原理及相關(guān)設備的選用
a.變頻器的基本原理
圖2所示為變頻器的基本構(gòu)成。它的基本原理是用一種特定的方式對變頻器中的晶閘管開關(guān)進行導通和關(guān)斷，直接把輸入的電壓波形“大致”調(diào)制成所需頻率的交流波形。
變頻器的控制方式大體有4 種：V/f控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。我廠選用的變頻器采用V/f 控制。
什么是V/f控制？它是在改變頻率的同時控制變頻器的輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，調(diào)速范圍較寬，而且使電動機的效率、功率因數(shù)不下降。因為是控制電壓與頻率的比，所以稱為V/f 控制。
為什么控制f就能夠調(diào)整轉(zhuǎn)速呢？異步電動機的同步轉(zhuǎn)速由電源頻率和電動機極對數(shù)決定，在改變頻率時，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨著改變，當電動機負載運行時，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于電動機的同步轉(zhuǎn)速，即存在滑差。滑差的大小和電動機的負載大小關(guān)系為
既然改變f 就能夠調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，那么保持V/f恒定控制有何意義？它與電動機正常運行又有什么關(guān)系呢？下面以異步電動機的T型等效電路（如圖3所示）來進行說明。
在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏抗的電壓降較小，電動機的端電壓和電動勢近似相等。由式（2）可見，當電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著改變，那么電動機的磁通將會出現(xiàn)飽和或欠勵磁。例如當頻率f降低時，若繼續(xù)保持電動機的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動機的感應電動勢E 不變，那么，由式（2）可知，電動機的磁通椎將增大。由于電動機在設計時磁通常處于接近飽和值，因此磁通的進一步增大將導致電動機出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。磁通出現(xiàn)飽和后將會造成流過電動機的勵磁電流很大，這將增加電動機的銅損耗和鐵損耗。而當電動機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，在改變電動機頻率時應對電動機的電壓或電動勢進行控制，以維持電動機的磁通恒定。顯然，若在變頻控制電動機時，能保持V/f 為恒定，可以維持磁通恒定。
由于對電動機的電勢進行檢測比較困難，考慮到在電動機正常運轉(zhuǎn)時電壓和電勢近似相等，由式（2）和式（3）可知，通過控制V/f比一定可以保持磁通恒定。所以變頻器可實現(xiàn)軟啟動，使電動機逐漸加速，減少了設備啟動時的震動。運行時為了在電動機中保持恒定的磁通量，按照頻率來調(diào)節(jié)外加電壓的幅值，這就要求電壓和頻率的比值為一常數(shù)。但對實際電動機來說保持“氣隙”電壓和頻率之比為常數(shù)就需要以大于這一比例的數(shù)值來調(diào)節(jié)外加電壓，以補償定子電流在繞組串聯(lián)阻抗上產(chǎn)生的電壓降。由于該離心機在實際運行中的工作頻率較高，一般在30~40 Hz之間，因此電壓降實際只占電動機額定電壓的很小的部分。負載變化引起外加電壓幅值所需作的小量調(diào)節(jié)對電動機運行的實際影響不大，所以負荷在該段頻率調(diào)節(jié)時的轉(zhuǎn)矩性能較好。離心機V/f的曲線如圖4所示。
這樣通過變頻器對設備工作速度的調(diào)節(jié)，使離心機達到平穩(wěn)的工作狀態(tài)，不但延長了設備的使用壽命，而且使離心機的運轉(zhuǎn)速度能夠調(diào)節(jié)到物料固液分離的最佳狀態(tài)，經(jīng)濟效益十分明顯。
b.變頻器選型
變頻器選型須注意電壓等級和最大容量兩個參數(shù)。電壓等級是根據(jù)使用單位的實際用電電壓確定，如變頻器電壓等級選得過低會減少設備使用壽命，使變頻器自動保護功能動作，導致設備不能正常運行。如變頻器的電壓等級選得過高，則相當于減少了變頻器所帶負荷的容量，很不經(jīng)濟，我廠電網(wǎng)電壓長期運行在440~448 V之間，所以我們選用電壓等級為440 V的變頻器。
設備廠家在選用電動機時，一般都考慮了短時過載等非常情況，留有一定的余量。因此變頻器的容量只須與電動機的額定容量相匹配即可。
在使用的過程中，如果電動機實際負荷過小，存在大馬拉小車的情況。所以從經(jīng)濟的角度考慮，可以按照實際運行時的電流大小，選擇變頻器的容量。
但此時需要注意，如果電動機長期運行在總負荷容量的30%以下的時候，電動機的電抗隨電動機的容量而不同，即使負荷相同，電動機容量越大其脈動電流值也越大，也就是說這時只考慮電動機電流是不夠的，還需要考慮脈動電流的影響，負荷越輕，這部分的影響就越大。須加大變頻器的容量，才能解決這方面的問題。
c.離心機負荷的特殊性
由于離心類負荷慣性較大，一旦在運行中降低速度，電動機的動能就會轉(zhuǎn)化為電能，該電能反饋回變頻器，造成變頻器內(nèi)部直流側(cè)電壓過高，引起變頻器保護功能動作，致使設備停止工作。這樣一來，既無法實現(xiàn)在運行中對離心機進行調(diào)速的要求，又會對變頻器造成傷害，縮短變頻器的使用壽命。所以需要采用適當?shù)拇胧⑦@部分能量消耗掉或回饋到電網(wǎng)。一般有電阻制動、直流制動、PWM 整流等方式，我廠采用了電阻制動的方式。
電阻制動是在直流側(cè)安裝制動電阻。當電動機以發(fā)電機狀態(tài)運行，產(chǎn)生再生能量，使變頻器內(nèi)直流中間環(huán)節(jié)的直流電壓升高，直流電壓達到使制動單元打開的狀態(tài)，再生制動單元的功率開關(guān)導通，電流流過制動電阻，再生能量以制動電阻放出熱量的形式消耗掉，使電機的轉(zhuǎn)速降低，直流側(cè)的電壓變低。
而直流側(cè)的電壓降低使制動單元的功率開關(guān)關(guān)斷，這時沒有電流流過制動電阻。如果負荷未停將繼續(xù)累積能量，直流電壓再次升高，當直流側(cè)的電壓高到使制動單元重新動作時，制動單元重復以上開關(guān)過程來平衡直流電壓，使系統(tǒng)正常運行。當再生能量大時，再生制動單元的開關(guān)頻率增高，使制動轉(zhuǎn)矩增大，單位時間電能轉(zhuǎn)換為熱能的量增大。制動電阻的選擇包括對電阻的阻值和電阻的功率的選擇，前者決定制動時流過電阻的電流，后者決定電阻容許的發(fā)熱量。由于制動電阻通常工作在斷續(xù)工作制下，因此對電阻功率的選擇應考慮工作時間。在選擇制動電阻的阻值和功率時要對系統(tǒng)的制動能量進行仔細地校核。
制動單元在系統(tǒng)中的連接位置如圖5所示。
考慮到連線分布，電阻阻值本身的分散性以及電阻的溫度分散性等因素，在選定電阻值時要留有余量，一般情況選1.2倍，即選用阻值=計算值*1.2。
要求放電電流值應小于變頻器的額定電流值，因此有IP=VDC /選定阻值小于變頻器的額定輸出電流值。當考慮到過負荷的情況時，需要留一些余量。
當然要求的可靠性越高，余量應該越大，通常情況下余量系數(shù)為1.2~2倍。
綜上所述，我們選用的制動電阻為40 贅，1 500W。
在離心機減速時，動能消耗在制動電阻上，變頻器內(nèi)部不再產(chǎn)生過電壓，延長了變頻器的使用壽命。
d.主電源的干擾和諧波
變頻器從電網(wǎng)吸取非正弦的電流，這將增加輸入電流有效值。非正弦電流通過傅里葉分析可以展開為不同頻率的正弦波，也即以50 Hz 為基頻的不同頻率的諧波電流。諧波不直接影響功率的消耗，但會增加系統(tǒng)的熱損耗，造成變壓器過載和電纜溫升。
有些諧波電流還會干擾接在同一變壓器上的通信設備。選用有中間電路電感線圈的變頻器，能夠抑制減小諧波電流，解決上述問題。
e.提高系統(tǒng)效率
如何才能提高效率呢？當變頻器的輸出波形越接近正弦波，則系統(tǒng)效率越高。加入LC濾波器可以減少電壓的上升時間（dv/dt）抑制紋波電流，從而使電壓電流接近正弦。這樣不但提高了系統(tǒng)的效率，還將減少電動機的聲頻噪聲。
f.電纜的選擇
頻率范圍為150 kHz~30 MHz的電子干擾一般來自傳導。傳動系統(tǒng)中范圍為30 MHz~1 GHz 的空間輻射干擾產(chǎn)生于逆變器，電機電纜及電動機。由于電動機電壓較高的dv/dt 以及電機電纜上的容性電流產(chǎn)生了漏電流，而且使用屏蔽的電機電纜也會增加漏電流，如圖6所示。
這是由于屏蔽電纜有較大的對地電容。如果漏電流未被濾掉，將導致在電網(wǎng)中產(chǎn)生5 MHz 以下射頻范圍內(nèi)的較大干擾。由于漏電流（I1）通過屏蔽層（I3）返回逆變器單元，從而可知屏蔽電纜上產(chǎn)生較小的電磁場。屏蔽減少了射頻干擾，增加了對主電路的低頻干擾，所以電機電纜必須與變頻器的外殼相連。
連接時要避免屏蔽端的尾部絞合，這樣會增加高頻時的屏蔽阻抗，從而減小了屏蔽的效果，增加了漏電流I4。
如屏蔽電纜用于控制電纜或信號通信及制動裝置上，屏蔽兩端均應接外殼。然而這時有必要切斷屏蔽層以避免電流環(huán)流。
因上述原因，電動機的電力電纜一般采用普通電力電纜，截面不應過大；控制電纜采用屏蔽電纜。
電纜的長度盡量縮短，以盡可能地減少變頻器對整個系統(tǒng)的干擾。
變頻調(diào)速改造方案
變頻調(diào)速運行的主回路和控制電路、參數(shù)設置及安裝環(huán)境敘述如下。
a.主回路及控制回路
由于這是對舊設備進行改造，所以在改造中充分考慮并照顧操作人員的操作習慣，保持原有的工作順序不變。根據(jù)操作人員的實際需要，重新設計了主回路及控制回路。用電位器給定頻率，控制電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無級調(diào)速。用一轉(zhuǎn)速表顯示電動機的實際轉(zhuǎn)速，給操作人員提供可靠的操作依據(jù)。
原來的工作順序是：控制按鈕按下,PLC 發(fā)出運行信號,接觸器吸合,主機運行。
改造后順序是：控制按鈕按下,PLC 發(fā)出運行信號,接觸器常開觸點閉合,變頻器接收運行指令開始工作,主機運行。
為了節(jié)省投資，我們最大限度地利用設備的原有電氣元件，改造后只增加了必備的幾樣元件。
改造前的主回路如圖7所示。
改造后的主回路如圖8所示。
b.安裝環(huán)境
變頻器主要由各種電子元器件組成，它對于工作環(huán)境的要求較高，當環(huán)境溫度超過它的最高工作溫度時，變頻器必然會降低其持續(xù)電流輸出的額定值，如圖9所示。
因為離心機工作現(xiàn)場的環(huán)境較差，為了保證設備可靠運行，延長變頻器的使用壽命，我們將變頻器安裝在遠離工作現(xiàn)場的地方。
c.參數(shù)設置
我廠采用V/f 方式調(diào)節(jié)控制變頻器，當輸出、輸入頻率比增大時，輸出電壓的畸變也將顯著增大。為了避免變頻器低頻輸出時電壓波形畸變，引起電動機抖動、發(fā)熱，損壞電動機，我們對輸出頻率進行了限制。將輸出頻率下限設置為9 Hz，避免了上述情況的發(fā)生。
針對慣性較大的負荷，設置參數(shù)時可適當?shù)匮娱L減速時間，也能在一定程度上抑制負荷反饋回電能，避免造成變頻器過電壓。
運行情況
改造前，離心機每使用十多天就需要檢修，改造后可連續(xù)使用半年以上，延長了設備使用壽命。而且離心機的運轉(zhuǎn)速度能夠調(diào)節(jié)到海綿銅固液分離的最佳狀態(tài)，海綿銅中含鎳量由原來的5%~8%降低到3%~4%，鎳金屬的回收增加一倍左右。我廠滿負荷生產(chǎn)時每年生產(chǎn)海綿銅8 百多t，其中含鎳約37 t，由于鎳金屬的回收增加，每年少損失鎳40%，約15 t，按每噸鎳3萬元計算，僅此一項節(jié)約的鎳金屬價值45萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。
