變頻器應(yīng)用的7大誤區(qū)
隨著用戶需求的進步和多樣化，變頻器產(chǎn)品的功能在不斷完善和增加，集成度和系統(tǒng)化程度也越來越高，并且已經(jīng)出現(xiàn)某些領(lǐng)域節(jié)能變頻器產(chǎn)品。放眼我國變頻器市場，近幾年保持著12%～15%的增長率。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，現(xiàn)在中國市場上變頻器安裝容量（功率）的增長率實際上在20%左右，潛在市場空間大約為1200億元～1800億元。但是變頻器的應(yīng)用卻很容易讓人們產(chǎn)生誤區(qū)。
誤區(qū)1、使用變頻器都能節(jié)電
一些文獻宣稱變頻調(diào)速器是節(jié)電控制產(chǎn)品，給人的感覺是只要使用變頻調(diào)速器都能節(jié)電，實際上，變頻調(diào)速器之所以能夠節(jié)電，是因為其能對電動機進行調(diào)速。如果說變頻調(diào)速器是節(jié)電控制產(chǎn)品的話，那么所有的調(diào)速設(shè)備也都可以說是節(jié)電控制產(chǎn)品。變頻調(diào)速器只不過比其它調(diào)速設(shè)備效率和功率因數(shù)略高罷了。
變頻調(diào)速器能否實現(xiàn)節(jié)電，是由其負載的調(diào)速特性決定的。對于離心風(fēng)機、離心水泵這類負載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)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(diào)速運行，均能實現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時，功率只有原來的51.2%?？梢?，變頻調(diào)速器在這類負載中的應(yīng)用，節(jié)電效果為明顯。對于羅茨風(fēng)機這類負載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)，即恒轉(zhuǎn)矩負載。若原來采用放風(fēng)閥放走多余風(fēng)量的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，改為調(diào)速運行，也能實現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時，功率為原來的80%。比在離心風(fēng)機、離心水泵中的應(yīng)用節(jié)電效果要小得多。對于恒功率負載，功率與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。水泥廠恒功率負載，如配料皮帶秤，在設(shè)定流量一定的條件下，當(dāng)料層厚時，皮帶速度減慢；當(dāng)料層薄時，皮帶速度加快。變頻調(diào)速器在這類負載中的應(yīng)用，不能節(jié)電。
與直流調(diào)速系統(tǒng)比較，直流電動機比交流電動機效率高、功率因數(shù)高，數(shù)字直流調(diào)速器與變頻調(diào)速器效率不相上下，甚至數(shù)字直流調(diào)速器比變頻調(diào)速器效率略高。所以，宣稱使用交流異步電動機和變頻調(diào)速器比使用直流電動機和直流調(diào)速器要節(jié)電，理論和實踐證明，這是不正確的。
誤區(qū)2、變頻器的容量選擇以電動機額定功率為依據(jù)
相對于電動機來說，變頻調(diào)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(diào)速器的容量就顯得十分有意義。變頻調(diào)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(shù)不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數(shù)的增多，電動機額定電流增大。變頻調(diào)速器的容量選擇不能以電動機額定功率為依據(jù)。同時，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻調(diào)速器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據(jù)。這是因為，電動機的容量選擇要考慮大負荷、富裕系數(shù)、電動機規(guī)格等因素，往往富裕量較大，工業(yè)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(jù)來選擇變頻調(diào)速器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)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(diào)速器的容量選擇應(yīng)以變頻器的額定電流大于或等于電動機的大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以大限度地節(jié)約資金。對于重載起動、高溫環(huán)境、繞線式電動機、同步電動機等條件下，變頻調(diào)速器的容量應(yīng)適當(dāng)加大。
對于一開始就采用變頻器的設(shè)計中，變頻器容量的選擇以電動機額定電流為依據(jù)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(dāng)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(shè)備實際運轉(zhuǎn)一段時間后，再根據(jù)實際電流進行選擇。
誤區(qū)3、用視在功率計算無功補償節(jié)能收益
用視在功率計算無功補償節(jié)能效果。如文獻［1］原系統(tǒng)風(fēng)機工頻滿載工作時，電動機運行電流為289A，采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載運行時的功率因數(shù)約為0.99，電流是257A，這是由于變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生改善功率因數(shù)的作用。節(jié)能計算如下：ΔS=UI=×380×（289－257）=21kVA，因此認為其節(jié)能效果約為dan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(jié)約百分比與電流節(jié)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(tǒng)的允許大輸出能力，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(fēng)機及其負載決定的。功率因數(shù)的提高并沒有改變風(fēng)機的負載，也沒有提高風(fēng)機的效率，風(fēng)機實際消耗的功率沒有減少。功率因數(shù)提高后，電動機運行狀態(tài)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(shù)提高的原因是變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生無功功率供給了電動機消耗。隨著功率因數(shù)提高，變頻器的實際輸入電流減少，從而減少了電網(wǎng)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(guān)、接觸器、導(dǎo)線等配電設(shè)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(jié)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(jié)能，而且還費電。因此，用視在功率計算節(jié)能效果是不對的。例如：某水泥廠離心風(fēng)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(diào)速改造前，閥門全開，通過測試發(fā)現(xiàn)，電動機電流70A，只有50%負荷，功率因數(shù)為0.49，有功功率為22.6kW，視在功率為46?07kVA。在采用變頻調(diào)速改造后，閥門全開，額定轉(zhuǎn)速運行時，三相電網(wǎng)平均電流為37A，從而認為節(jié)電（70－37）÷70×100%=44.28%。這樣計算，看似合理，實質(zhì)上仍是以視在功率計算節(jié)能效果。該廠在進一步測試后發(fā)現(xiàn)，此時功率因數(shù)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(jié)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(jié)約。產(chǎn)生這種錯誤的關(guān)鍵在于沒有考慮功率因數(shù)提高對電流下降的影響，默認功率因數(shù)不變，從而片面夸大了變頻器的節(jié)能效果。因此，在計算節(jié)能效果時，必須用有功功率，不能用視在功率。
誤區(qū)4、變頻器輸出側(cè)不能加裝接觸器
幾乎所有變頻調(diào)速器使用說明書都指出，變頻調(diào)速器輸出側(cè)不能加裝接觸器。如日本安川變頻器說明書就規(guī)定“切勿在輸出回路連接電磁開關(guān)、電磁接觸器”。廠家的規(guī)定是為了防止在變頻調(diào)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(diào)速器輸出與接觸器動作之間，加以必要的控制聯(lián)鎖，保證只有在變頻調(diào)速器無輸出時，接觸器才能動作，變頻調(diào)速器輸出側(cè)就可以加裝接觸器。這種方案對于只有1臺變頻調(diào)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(dāng)運行的電動機出現(xiàn)故障時，可以很方便地將變頻器切換到備用電動機，經(jīng)過延時使變頻器運行，實現(xiàn)備用電動機自動投入變頻運行。并且還可以很方便地實現(xiàn)2臺電動機的互為備用。
誤區(qū)5、變頻調(diào)速器在離心風(fēng)機中的應(yīng)用，可*取代風(fēng)機的調(diào)節(jié)閥門
采用變頻調(diào)速器對離心風(fēng)機進行調(diào)速來控制風(fēng)量，與調(diào)節(jié)閥門控制風(fēng)量相比，具有明顯的節(jié)電效果。但在有些場合，變頻調(diào)速器不能*取代風(fēng)機的閥門，在設(shè)計中要引起特別注意。為了說明這個問題，我們先從其節(jié)電原理談起。離心風(fēng)機的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，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。
誤區(qū)6、通用電動機只能在其額定轉(zhuǎn)速以下采用變頻調(diào)速器降速運行
經(jīng)典理論認為，通用電動機頻率上限為55Hz。這是因為當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速需要調(diào)到額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩原則控制，則定子電壓將升高超過額定電壓。那么，當(dāng)調(diào)速范圍高于額定轉(zhuǎn)速時，須保持定子電壓為額定電壓不變。這時，隨著轉(zhuǎn)速/頻率的上升，磁通將減少，因此在同一定子電流下的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩變小，機械特性變軟，過載能力下降，鐵耗急增，發(fā)熱嚴重。電動機實際運行狀況表明，通用電動機可以通過變頻調(diào)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(jù)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%長期運行是可以的，對電動機絕緣及壽命沒有影響。定子電壓提高，轉(zhuǎn)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(yè)用電動機通常在50%～60%額定功率下工作。經(jīng)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(zhuǎn)矩控制，采用變頻調(diào)速器提高電動機轉(zhuǎn)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(chǎn)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(tǒng)是為負載服務(wù)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(jīng)推算恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的機械強度限制，筆者認為一般限制在100Hz以內(nèi)為宜。
誤區(qū)7、忽視變頻器的自身特點
變頻調(diào)速器的調(diào)試工作一般由經(jīng)銷廠家來完成，不會出現(xiàn)什么問題。變頻調(diào)速器的安裝工作較簡單，一般由用戶來完成。一些用戶不認真閱讀變頻調(diào)速器的使用說明書，不嚴格按照技術(shù)要求進行施工，忽視變頻器自身特點，將其等同于一般電氣器件，憑想當(dāng)然和經(jīng)驗辦事，為故障和事故埋下了隱患。
根據(jù)變頻調(diào)速器的使用說明書的要求，接到電動機的電纜應(yīng)采用屏蔽電纜或鎧裝電纜，需要穿金屬管敷設(shè)。截斷電纜的端頭應(yīng)盡可能整齊，未屏蔽的線段盡可能短，電纜長度不宜超過一定的距離（一般為50m）。當(dāng)變頻調(diào)速器與電動機間的接線距離較長時，來自電纜的高諧波漏電流會對變頻調(diào)速器和周邊設(shè)備產(chǎn)生不利影響。從變頻器控制的電動機返回的接地線，應(yīng)直接連到變頻器相應(yīng)的接地端子上。變頻器的接地線切勿與焊機及動力設(shè)備共用，且盡可能短。由于變頻器產(chǎn)生漏電流，與接地點太遠則接地端子的電位不穩(wěn)定。變頻器的接地線的小截面積必須大于或等于供電電源電纜的截面積。為了防止干擾而引起的誤動作，控制電纜應(yīng)使用絞合屏蔽線或雙股屏蔽線。同時要注意切勿將屏蔽網(wǎng)線接觸到其它信號線及設(shè)備外殼，用絕緣膠帶纏包起來。為了避免其受到噪聲的影響，控制電纜長度不宜超過50m。控制電纜和電動機電纜必須分開敷設(shè)，使用單獨的走線槽，并盡可能遠離。當(dāng)二者必須交叉時，應(yīng)采取垂直交叉。千萬不能將它們放在同一個管道或電纜槽中。而一些用戶在進行電纜敷設(shè)時，沒有嚴格按照上述要求進行施工，導(dǎo)致在單獨調(diào)試時設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，正常生產(chǎn)時卻干擾嚴重，以致不能運行。
如某水泥廠二次風(fēng)溫表突然出現(xiàn)指示異常：指示值明顯偏低，且大幅度波動。在此之前一直運行很好。檢查熱電偶、溫度變送器及二次儀表，均未發(fā)現(xiàn)問題，將相關(guān)儀表移到其他測點，儀表運行*正常，而將其他測點的同類儀表換到此處，也出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。后發(fā)現(xiàn)在篦冷機3號冷卻風(fēng)機電動機上新安裝了1臺變頻調(diào)速器，而且正是變頻器投用后二次風(fēng)溫表才出現(xiàn)指示異常狀態(tài)。試將變頻器停運，二次風(fēng)溫表指示立即恢復(fù)正常；再起動變頻器，二次風(fēng)溫表又出現(xiàn)指示異常，連續(xù)反復(fù)試驗幾次均是如此，從而判斷出變頻器的干擾是造成二次風(fēng)溫表顯示異常的直接原因。該風(fēng)機為離心式通風(fēng)機，原來采用閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量，后改為變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量。由于現(xiàn)場粉塵較大，環(huán)境惡劣，故將變頻器安裝在MCC（電動機控制中心）控制室。為了施工方便，變頻器接在該風(fēng)機主接觸器的下側(cè)，變頻器輸出電纜使用該風(fēng)機電動機的動力電纜。該風(fēng)機電動機的動力電纜為聚氯乙烯絕緣無鋼鎧護套電纜，并與二次風(fēng)溫表信號電纜在同一電纜溝的不同橋架層平行敷設(shè)?？梢?，正是因為變頻器輸出電纜沒有采用鎧裝電纜或穿鐵管敷設(shè)，導(dǎo)致了干擾現(xiàn)象的發(fā)生。這個教訓(xùn)對原來沒有采用變頻器的改造項目要引起特別注意。
在變頻調(diào)速器的日常維護中也要特別小心。有的電工一發(fā)現(xiàn)變頻器故障跳停，就立即打開變頻器進行維修。這樣做是很危險的，有可能發(fā)生人身觸電事故。這是因為即使變頻器不處于運行狀態(tài)，甚至電源已經(jīng)切斷，由于其中的電容器的存在，變頻器的電源輸入線、直流端子和電動機端子上仍然可能帶有電壓。斷開開關(guān)后，必須等待幾分鐘后，使變頻器放電完畢，才能開始工作。還有的電工習(xí)慣于一發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)跳停，就立即用搖表對變頻器拖動的電動機進行絕緣測試，從而判斷電動機是否燒毀。這也是很危險的，易使變頻器被燒。因此，在電動機與變頻器之間的電纜未斷開前，不能對電動機進行絕緣測試，也不能對已連接到變頻器的電纜進行絕緣測試。
對變頻器的輸出參數(shù)進行測量時也要特別注意。由于變頻器的輸出為PWM波形，含有高次諧波，而電動機轉(zhuǎn)矩主要依賴于基波電壓有效值，故測量輸出電壓時，主要是測量基波電壓值，使用整流式電壓表，其測量結(jié)果接近數(shù)字頻譜分析儀測量值，而且與變頻器的輸出頻率有*的線性關(guān)系。若需進一步提高測量精度，可以采用阻容濾波器。數(shù)字萬用表容易受干擾，測量有較大的誤差。輸出電流需要測量包括基波和其他高次諧波在內(nèi)的總有效值，因此常用的儀表是動圈式電流表（在電動機負載時，基波電流有效值和總電流有效值差別不大）。當(dāng)考慮到測量方便而采用電流互感器時，在低頻情況下電流互感器可能飽和，所以，必須選擇適當(dāng)容量的電流互感器。
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