[摘要]介紹變頻器在冶金行業(yè)中的部分應用,分析變頻器的故障原因及預防措施。

[關鍵詞]變頻器 冶金 故障 預防措施

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597(2008)0810081－02

一、引言

隨著冶金企業(yè)改革的深化,提高機組自動化水平,降低冶金成本已成為冶金企業(yè)迫切需要解決的問題。作為以工藝控制和節(jié)能的產(chǎn)品,變頻器在電力、冶金、石油、化工、紡織與化纖、食品飲料、建材、造紙、市政、中央空調(diào)等行業(yè)中得到廣泛應用。世界工業(yè)發(fā)達國家,近期都都投入大量人力物力對變頻器技術(shù)進行研究。在冶金行業(yè),美國新建1000kW以上的軋機主傳動,無論是初軋機,中板軋機還是熱、冷連軋機,無一例外全部采用交流變頻調(diào)速。在大功率軋鋼機主傳動領域已出現(xiàn)交流調(diào)速傳動取代直流傳動的趨勢。資料顯示,目前,我國高壓變頻行業(yè)以30％的速度發(fā)展,但因為行業(yè)本身填補空白的性質(zhì),行業(yè)的基數(shù)小,所以其反映的市場總量和規(guī)模還是較小。2006年高壓變頻器行業(yè)一年的銷售量也就1000多臺,即10多億元左右。但高壓變頻器行業(yè)競爭激烈,僅電動機總裝機容量就有4億多千瓦,其中年用電量約為15000億度電,約占當年全國總發(fā)電量的65％～70％。同時在2006年的中國電力消耗中,60％～70％為電動機所消耗,而在總?cè)萘繛?.8億千瓦的電動機總?cè)萘恐?只有不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻器的,據(jù)市場研究報告分析,在中國,帶變動負載、具有節(jié)能潛力的有1.8億千瓦。因此國家大力提倡節(jié)能措施并著重推薦了變頻調(diào)速技術(shù)。

二、變頻器的基本結(jié)構(gòu)和分類

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源,以實現(xiàn)電機的變速運行的設備,其中控制電路完成對主電路的控制,整流電路將交流電變換成直流電,直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波,逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說,有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應的電路。變頻器的分類方法有多種,按照主電路工作方式分類,可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器,按照開關方式分類,可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器:按照工作原理分類,可以分為/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等:按照用途分類,可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

三、變頻器在冶金行業(yè)的應用

變頻器在冶金行業(yè)中的典型應用有：

（1）軋機。

（2）卷取機。

（3）線材軋機。

（4）風機。

（5）處理線。

（6）料漿泵。

（一）冶金行業(yè)的工況以及倫茨變頗器的應用

1．冶金行業(yè)工作環(huán)境導電粉塵多,工作環(huán)境溫度高、有腐蝕性氣體等

LENZE公司研制的93E工程型矢量變頻器具有良好的絕緣,在電路板表面有致密的防護涂層(涂層物質(zhì)為倫茨公司專利),可有效防護水蒸氣、腐蝕性氣體、導電粉塵等對變頻器主板的侵蝕和損害,保證變頻器能在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作。在安裝方式上,具有三種形式:常規(guī)的導軌式安裝、散熱器推出式安裝、冷板式安裝。如采用冷板安裝即能夠保證散熱的需要,同時又能保持控制柜的防護等級。靈活的安裝方式能夠適應各種環(huán)境、溫度的要求。

2．在開環(huán)使用時,能夠輸出額定轉(zhuǎn)矩以滿足提升要求

93E變頻器采用先進的矢量控制算法,快速的控制速度(電流環(huán)控制周期為62 .5微秒,速度環(huán)控制精度為250微秒),具有電機自識別功能,在內(nèi)部建立完善的電機模型,從而保證在開環(huán)情況下能夠輸出額定轉(zhuǎn)矩滿足提升力矩的需要。

超強的過載能力:在與電機同功率時,在60s內(nèi)可承受150%的過載,其中0.37一90k W的變頻器可承受180%的過載,從而使變頻器能夠適應大啟動轉(zhuǎn)矩的負載。

另外,93E變頻器內(nèi)部集成了機械抱閘控制功能,利用該功能能夠為提升應用提供完善的保護性措施,避免了 溜鉤現(xiàn)象的發(fā)生。同時降低了設計人員的工作難度。

冶金行業(yè)現(xiàn)場由于有大功率的設備經(jīng)常啟停,電源電壓的波動比較大。93E變頻器有較寬的電壓輸入范圍(3×320一528AC)使變頻器能夠避免冶金行業(yè)電壓波動帶來的影響。

3．在現(xiàn)場應用時,天車的行走帶來較大的震動

93E交頻器內(nèi)部電路板之間采用雙排插針連接方式,能夠適應現(xiàn)場較大的震動而不會出現(xiàn)排線松動。

（二）拉矯機的改造

我國現(xiàn)在大多數(shù)冶金企業(yè)的拉矯機為直流電機驅(qū)動,調(diào)速方式為模擬式電壓、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速,主控器件采用U2板。存在的問題主要有:設備造價高,抗干擾能力差,保護功能少,參數(shù)調(diào)整復雜,控制精度差,故障率高,維護難度大。為Yw5TKivlF+nSpZvKa/c2g==此,我們建議將拉矯機電機改為價格低、易維護的Y系列交流電動機,調(diào)速系統(tǒng)改為抗干擾能力強、保護功能齊全、易于維護的高性能通用變頻器。通過對拉矯系統(tǒng)的變頻改造,可大大提高調(diào)速性能,徹底消除了以往制約生產(chǎn)的瓶頸。

（三）鍋爐引風機上變頻技術(shù)的應用

我國現(xiàn)在大多數(shù)鍋爐引風機原采用入口擋板節(jié)流調(diào)節(jié)方式,存在耗電大、噪音大、節(jié)流損失大等缺點,另外,由于擋板可調(diào)性能差、反應速度慢和執(zhí)行機構(gòu)常出故障等原因,導致鍋爐投自動運行時經(jīng)常故障退出,造成自動投入率低,影響了鍋爐的安全運行。廣州智光電機有限公司研制生產(chǎn)的ZINERTA6H1000/06Y型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在這方面有明顯優(yōu)勢。ZINERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)可互換的功率單元進行電壓逆變,逆變后的電壓通過特殊的疊加方式再生成三相高電壓,直接帶動高壓電動機,無需更換原有電動機,適合發(fā)電廠的風機改造。ZINERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術(shù),解決了器件耐壓的問題,級間正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)信號移相疊加,提高了輸出電壓的穩(wěn)定性,通過電流多重化技術(shù)降低輸入側(cè)諧波,減少了對電網(wǎng)的諧波污染。

通常,在選擇鍋爐配套風機時,要考慮短期的超負荷能力,并加以適當裕量來確定機型。而在選定鍋爐時,又要根據(jù)工藝最大負荷和適當裕量來確定鍋爐容量。鑒于上述兩個環(huán)節(jié)的選定又受到產(chǎn)品規(guī)格分檔的限制,因此最后的風機容量往往偏大,加之對鍋爐鼓、引風機的調(diào)節(jié),是靠調(diào)節(jié)閘板完成的,所以當風量變化時,就風機系統(tǒng)而言,會浪費大量的電能。要想改變這種情況,最好是采用變頻調(diào)速技術(shù)。總之,變頻調(diào)速作為一種新型的電力傳動調(diào)速技術(shù)和節(jié)能技術(shù)。以其顯著的優(yōu)勢已在冶金行業(yè)得到了一定的發(fā)展,同時,我國冶金行業(yè)控制水平普遍落后,運用變頻調(diào)速新技術(shù)改造的空間很大,應用前景非常廣闊。

四、變頻器的故障原因及預防措施

任何設備在使用過程中,都免不了發(fā)生故障,變頻器及其外配器件也不例外。變頻器由主回路、電源回路、IPM驅(qū)動及保護電路、冷卻風扇等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)多為單元化或模塊化形式。由于使用方法不正確或設置環(huán)境不合理,將容易造成變頻器誤動作及發(fā)生故障,或者無法滿足預期的運行效果。為防患于未然,事先對故障原因進行認真分析尤為重要。

（一）主回路常見故障分析

主回路主要由三相或單相整流橋、平滑電容器、濾波電容器、IPM逆變橋、限流電阻、接觸器等元件組成。期中許多常見故障是由電解電容引起。電解電容的壽命主要由加在其兩端的直流電壓和內(nèi)部溫度所決定,在回路設計時已經(jīng)選擇了電容器的型號,所以內(nèi)部的溫度對電解電容器的壽命起決定作用。電解電容器會直接影響到變頻器的使用壽命,一般溫度每上升10攝氏度,壽命減半。因此一方面在安裝時要考慮適當?shù)沫h(huán)境溫度,另一方面可以采取措施減少脈動電流。采用改善功率因素的交流或直流電抗器可以減少脈動電流,從而延長電解電容器的壽命。

在電容器維護時,通常以比較容易測量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況,當靜電容量低于額定值的80%,絕緣阻抗在5M歐姆以下時,應考慮更換電解電容器。

（二）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)主要包括散熱片和冷卻風扇。其中冷卻風扇壽命較短,臨近使用壽命時,風扇產(chǎn)生震動,噪聲增大最后停轉(zhuǎn),變頻器出現(xiàn)IPM過熱跳閘。冷卻風扇的壽命受限于軸承,大約為10000~35000h。當變頻器連續(xù)運轉(zhuǎn)時,需要2~3年更換一次風扇或軸承。為了延長風扇的壽命,一些產(chǎn)品的風扇只在變頻器運轉(zhuǎn)時而不是電源開啟時運行。

（三）外部的電磁感應干擾

如果變頻器周圍存在干擾源,它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部,引起控制器回路誤動作,造成工作不正常或停機,嚴重時甚至損壞變頻器。減少噪聲干擾的具體方法有：變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制圈上,加裝防止沖擊的吸收裝置,如RC浪涌吸收器,其接線不能超過20cm,盡量縮短控制回路的配線距離,并使其主回路分離,變頻器控制回路配線交合節(jié)距離應在15mm以上,與主回路保持10cm以上的間距,變頻器距離電動機很遠時（超過100m）,這時一方面可加大導線截面面積,保證線路壓降在2%以內(nèi),同時應加裝變頻器輸出電抗器,用來補償因長距離導線產(chǎn)生的分布電容的充電電流。變頻器接地端子應按規(guī)定進行接地,必須在專用接地點可靠接地,不能同電焊、動力接地混用,變頻器輸出端安裝無線電噪聲濾波器,減少殺人高次諧波,從而可降低從電源到電子設備的噪聲影響,同時在變頻器的輸出端也安裝無線電噪聲濾波器,以降低其輸出端的線路噪聲。

（四）安裝環(huán)境

變頻器屬于電子器件裝置,在其說明書中有詳細安裝使用環(huán)境的要求。在特殊情況下,若確實無法滿足這些要求,必須盡量采用相應抑制措施,振動是對電子器件造成機械損傷的主要原因,對于振動沖擊較大的場合,應采用橡膠等避振措施,潮濕、腐蝕性氣體及塵埃等將造成電子器件銹蝕、接觸不良、絕緣降低而形成短路,作為防范措施,應對控制進行防腐防塵處理,并采用封閉式結(jié)構(gòu),溫度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因素,特別是半導體器件,應根據(jù)裝置的環(huán)境條件安裝空調(diào)或避免日光直射。

參考文獻：

[1]王廷才、王偉,《變頻器原理及應用》,機械工業(yè)出版社,2005年7月1日出版.

[2]魏召剛,《工業(yè)變頻器原理及應用》,電子工業(yè)出版社,2006年9月.