一、變頻器工作原理及技術規范
1、變頻器原理介紹
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。低壓變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。通過變頻器可以自由調節電機的速度。如圖1為變頻器內的控制電路框圖。
圖1 變頻器內的控制電路框圖
2、變頻器技術規范
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控制 |
控制方法 |
空間電壓矢量控制方式 |
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數字 : 0.01 Hz (100 Hz以下), 0.1 Hz ( 100 Hz以上)
模擬 : 0.05 Hz / 50 Hz, 輸出頻率范圍:0 – 300 Hz |
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頻率精度 |
數字 : 最大輸出頻率的0.01 %
模擬 : 最大輸出頻率的0.1 % |
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V/F 比率 |
線性, 平方根, 任意 V/F |
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過載能力 |
額定電流150 % -1 分鐘, 額定電流200% - 0.5 秒。(特性與時間成反比) |
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轉矩補償 |
手動轉矩補償 (0 - 20 %), 自動轉矩補償 |
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運行 |
輸入信號 |
運行方式 |
鍵盤/ 端子 /RS485 通訊 |
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頻率設定 |
模擬 : 0 - 10V / 4 - 20 mA /, 子板的另外端口(0 - 10V/4 - 20 mA)
數字 : 鍵盤/RS485 通訊 |
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啟動信號 |
正轉,反轉 |
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多段速度 |
至多可以設定8個速度 (使用多功能端子) |
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加減速時間 |
0-6000秒，加減速時間可切換
加減速方式:線性, S型 |
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緊急停止 |
中斷變頻器的輸出 |
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寸動 |
慢速運行 |
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自動運行 |
通過設定的參數自動運行(7段速度) |
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故障復位 |
當保護功能處于有效狀態時，可以自動復位故障狀態。 |
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輸出信號 |
運行狀態 |
頻率檢測等級，過載報警，過電壓，欠電壓，變頻器過熱， 運行，停止，恒速，自動程序運行 |
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故障輸出 |
觸點輸出 – 交流250V 1A, 直流30V 1A |
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模擬輸出 |
從輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，直流電壓中選擇
(輸出電壓: 0 - 10V) |
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運行功能 |
直流制動，頻率限制，跳頻，滑差補償，反轉保護，PID 控制等 |
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保護功能 |
變頻器保護 |
過電壓，欠電壓， 過電流， 保險絲斷，接地故障， 變頻器過熱， 電機過熱， 缺相，過載保護，外部故障1,2， 通訊錯誤，速度指令丟失， 硬件故障， 選件錯誤等。 |
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變頻器報警 |
堵轉防護，過載報警， 溫度傳感器故障。 |
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瞬間掉電 |
小于15 毫秒：連續運行
大于15 毫秒：允許自動重新啟動 |
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顯示 |
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運行信息 |
輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，設定頻率，運行速度，直流電壓 |
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錯誤信息 |
當故障保護時的運行狀態， 保存有3個故障歷史信息。 |
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環境 |
環境溫度 |
-10 ℃ ～ 40 ℃ |
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儲存溫度 |
-20 ℃ ～ 65 ℃ |
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環境濕度 |
最大90 % RH .(不結露) |
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高度/振動 |
1,000 m 以下，5.9m/秒²(=0.6g)以下 |
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應用地點 |
無腐蝕氣體、易燃氣體、油霧或粉塵及其它 |
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冷卻方式 |
強制風冷 |
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二、節能分析
變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。如下圖示為壓力H-流量Q曲線特性圖:風機、泵類在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風機、泵類所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實際上通過增加管網管阻，使風機、泵類的工作點移到R2上的B點，壓力增大到H2，這時風機、泵類所需的功率正比于H2與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風機、泵類所需的功率增大了。這種調節方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡單控制方式。
n1-代表電機在額定轉速運行時的特性；
n2-代表電機降速運行在n2轉速時的特性；
R1-代表風機、泵類管路阻力最小時的阻力特性；
R2-代表風機、泵類管路阻力增大到某一數組時的阻力特性。
若采用變頻調速，風機轉速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調速后風機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：若采用變頻調速，風機轉速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調速后風機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。
貴公司二車間冷水泵電機功率220KW，額定電流407A，運行電流320A，閥門進口開度為50%，出口開度為25%。閥門開度很小，流量為額定流量的25%左右，另外還需要保持水泵一定的揚程，根據現場經驗，變頻器大概運行在35HZ-40HZ左右即可滿足要求，對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節能效果，根據風機平方轉矩負載關系式：P / P0=（n / n0）3計算（P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率） 。當變頻器運行35HZ時節電率為1-（35 /50）3=65%， 當變頻器運行在40HZ時節電率為1-（40 /50）3=48%，則平均節電率為（65%+48%）/2=56.5%，在除去變頻器本身耗電的3%，即節電率可以達到50%左右。以電費0.5元/度，年運行7000小時計算，每年可節約的電費為1.732*380*320*50%*0.86*0.5*7000=316970元。
三、改造前設備工況
貴公司設備是通過調節閥門的開啟角度的機械調節方法來滿足不同的水流量，這種操作方式的缺點是:（1）電機及風機的轉速高，負荷強度重，電能浪費嚴重；（2）電氣控制直接起動，啟動時電流對電網沖擊大，需要的電源（電網）容量大，功率因素較低；（3）起動時機械沖擊大,設備使用壽命低；（4）電氣保護特性差，當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備等。采用變頻器可實現大的電動機的軟停、軟起，避免了啟動時的電壓沖擊，減少電動機故障率，延長使用壽命，同時也降低了對電網的容量要求和無功損耗。
四、變頻改造方案
貴公司二車間冷水泵系統為一用一備，變頻控制柜具有切換功能，可以選擇1#或2#啟動，并且在變頻器出現故障時可選擇1#工頻啟動，以保證生產的連續性。變頻根據壓力信號自動調節電機的轉速。
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設備名稱 |
型號 |
數量 |
備注 |
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變頻器 |
CDI9000-G220T4 |
1 |
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斷路器 |
CDM1-630A |
1 |
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接觸器 |
CJ20-630A |
3 |
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轉換開關 |
LW5-16D/2 |
2 |
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按鈕 |
LAY7 GN |
2 |
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指示燈 |
LD11-22 380V |
5 |
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電流表 |
42L6-500/5 |
1 |
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電壓表 |
42L6-450V |
1 |
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互感器 |
BH0.66-/5 |
1 |
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柜體 |
1600*600*500 |
1 |
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附件 |
線材，附材，銅排 |
1 |
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變頻柜控制電氣圖如下：
五、總結
采用變頻器控制將有以下諸多優點：
(1)、采用變頻器控制電機的轉速，取消擋板調節，降低了設備的故障 率，節電效果顯著；
(2)、采用變頻器控制電機，實現了電機的軟啟動，延長了設備的使用壽 命，避免了對電網的沖擊；
(3)、電機將在低于額定轉速的狀態下運行，減少了噪聲對環境的影響；
(4)、具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能；
(5)、變頻具有工/變頻切換功能，能夠保證生產的連續性。
實踐證明，變頻改造具有顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且還大大減少了設備維護、維修費用，另外當采用變頻調速時，由于變頻裝置內的直流電抗器能很好的改善功率因數，也可以為電網節約容量。直接和間接經濟效益十分明顯。
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