变频器应用设计.doc

选煤厂变频器应用设计平顶山中选自控系统有限公司 高 宇中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司 慕广斌 许天成摘要：结合选煤厂洗选工艺的要求，提出变频器选型原则，谐波防治措施，并结合工程实例具体分析。关键词：选煤厂 变频器 谐波 电机发热1、概述近年来，在以重介工艺为主的选煤厂中，通用变频器以其智能化、数字化、网络化、节能等优点越来越受到广泛应用，主要用在调节旋流器入口压力及液位控制。随着厂型规模的日趋大型化，变频设备的功率随之增大，在变频器的使用过程中经常出现谐波干扰、变频器过载、电机发热等问题。本文仅就此问题，结合工程实例提出选型原则和解决措施。2、设计选型原则1）、基本技术参数选择 额定电压:变频器额定工作电压应不小于电源额定电压，UUN。目前煤炭行业仍有许多煤矿采用660V电压等级,新建矿多为380V。 额定电流：变频器额定输出电流应大于负载电动机的额定电流，IIN。这点尤为重要，不能简单的依照变频器容量而选择。 变频器容量：变频器额定功率应大于负载电动机的功率，即PPN。根据电动机的负荷类型分轻过载应用和重过载应用，选煤厂入料泵一般按重过载选配，变频器容量宜比电动机容量大一级。 负载匹配：负载转矩特性大体分为三种类型:恒转矩负载、风机泵类负载和恒功率负载。选煤厂变频设备多为泵类负载，所以选择具有U/f=const控制模式的变频器即可，一般选择通用风机泵类负载变频器即能满足工艺要求。 通讯要求：变频器如果采用现场总线控制方式，还要根据控制主机的要求，选用不同的总线接口，如：PROFIBUS，DeviceNet等。2）、变频器附件选型 滤波器：对于小功率（110KW及以下）变频器，其谐波干扰比较轻，各变频器厂家一般在变频模块内部已做处理，一般不需另配。对大功率的变频模块滤波器为必配附件，一般选用同品牌专用滤波器。包括进线滤波器和出线滤波器。对于IT供电系统不能使用输入滤波器，仅在TN和TT供电系统才使用输入滤波器。 电抗器：选配变频器配套的线路电抗器和电动机电抗器。 制动电阻等附件根据工艺要求选配，选煤厂泵类负荷一般不选配。3、工程实例问题分析及解决措施1）、谐波干扰问题工程实例：在平煤集团某选煤厂改造中，有两台主洗入料泵电机配变频器。参数如下：电动机功率：315KW，普通电动机，变频柜距电动机约40m；变频器采用ATV-68-43N4高力矩（150%Tn）变频模块；变频器柜与配电柜、PLC分站控制柜在同一配电室间距2.5m布置；进出变频器动力电缆采用铠装塑料绝缘电力电缆。 故障现象：当变频器启动时导致电动机综合保护器设置数据丢失，PLC分站控制模块指示灯闪烁紊乱，不能正常显示，集中控制系统死机，谐波干扰十分严重，导致调试工作无法正常进行。 现场分析及对策：首先检查了变频器的配置，变频模块为Schneider ATV-68。43N4，400VAC，与实际电动机匹配。打开附柜发现仅进线端接有电抗器，进出线端均未找到滤波器，进出电缆是铠装，但铠装层未做良好接地。实际安装时因变频器柜体尺寸过大（比设计要求大2m）占用了原设计预留的2.5m空间，实际上变成紧邻布置，控制模块进出缆线采用屏蔽电缆。据此我们分析造成谐波干扰的原因。首先变频器未配置相应的抗射频干扰滤波器，减少谐波源：本供电系统为中性点直接接地的TN系统，变频器的主电路形式一般由整流、逆变和滤波三部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变器部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形。变频器的输出电压中含有除基波以外的其它谐波。低次谐波通常对电机负载影响较大，引起转矩脉动，高次谐波使变频器输出电缆的漏电流增加，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制，应配置保护电动机的出线滤波器。在本例中暴露主要是对周遍电子设备的电磁干扰问题，变频器产生的高低次谐波严重污染电网，故必须选配变频器专用的抗射频干扰滤波器VW3-A68404，虽然成套厂家在输入端配置进线电抗器，但非ATV68专用之VW3-A68505产品，其对谐波电流的抑制效果并不明显。因此，要求成套厂家按施耐德变频器的需要配置滤波选件，鉴于电动机未发现异常现象，故对输出电抗器的必要性未作要求。其次加强屏蔽措施：由于现场已没有空间，紧邻布置不可避免，故只能对各相关元器件加强屏蔽；(1)要求变频器应可靠接地，进出变频器动力电缆的铠装层屏蔽层应360可靠接地，尽可能减少不屏蔽线段的长度，必要时更换为BPYJVP1-2变频器专用电缆。(2)确保控制柜中的所有设备接地良好，应该采用距离短、截面大的接地线(最好采用扁平导体或金属编织网，因其在高频时阻抗较低)连接到公共地线上。按照现行国家规范规定，变频器与相连的控制设备(如PLC或PID控制仪)共用接地装置时，其接地电阻应小于1。(3) 在电缆槽中间加隔板使动力电缆和控制电缆分开，如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉，应成90交叉布线。(3)进出PLC控制柜的缆线的屏蔽层360可靠接地，导线或双绞线连接控制电路时，未屏蔽之处尽可能短。(4)电动机用铠装电缆在电动机端也要将屏蔽层可靠接地。经过整改之后，变频器谐波干扰显著减少，控制系统能正常运行。2）、电动机发热问题工程实例：在皖北煤电集团某选煤厂中，有一台主洗入料泵电机配变频器。参数如下：电动机功率：280KW，普通电动机，变频柜距电动机约75m；变频器采用FUJI FTENIC 5000系列变频模块；变频器柜与配电柜、PLC分站控制柜在同一配电室同列相临布置；进出变频器动力电缆采用塑料绝缘电力电缆。 故障现象：在试生产过程中，变频器所电动机发热。运行2小时后，电动机机头部温度实测约64，手不可触摸。变频器经常过载报警。 现场分析及对策：到现场后，首先查对了变频器的参数，变频器模块为无锡富士产品，变频模块铭牌显示为FRN280P11S-4CX，最大输出电流520A，110%负载时1min。根据现场运行记录，变频器工作点频率43Hz左右，Imax=459A，Iout=420A，Uout=350V，负荷率83%，报警电流参数设置为491A。电动机为普通空-空冷却异步电动机。从现场记录看，电动机并未过载。富士280KW变频模块和250KW模块相同，但变频器的发热并不严重，后认为电动机质量有问题。经与电动机生产厂家联系，厂方提出本电动机不适宜变频使用，当频率降低时，电机转速下降，自身冷却风扇也变慢，冷却风量和频率成三次方关系，虽然频率变化不大，但冷却风量大大减少，加电动机自身风冷系统的弱点，导致机头发热是必然的，建议采用变频专用电机。我们在其它选煤厂中也广泛选用大功率变频器，但采用的都是通用型电动机，并未发生严重发热事故，因此采用变频电机固然会好点，但不是解决电机发热最佳方案。随后我们重新回到变频器本体来分析，打开柜体面板后发现柜内除了变频模块和短路器外没有相应的滤波器和电抗器，查随机使用手册，对于75KW以上的变频器直流电抗器为标准配件，应加装。变频器至电动机之间采用两根VV-1000，3*120mm2塑料绝缘电缆并联使用，故电缆总长度超过100m，按要求应配置OFL滤波器，避免变频器元件开关过程中产生的电涌电压使电动机绝缘老化。其次，要求在变频器输出端增加电机电抗器，变频器输出端增加输出电抗器的作用是为了增加变频器到电动机的导线距离，输出电抗器可以有效抑制变频器的IGBT开关时产生的瞬间高电压，减少此电压对电缆绝缘和电机的不良影响。最后，加强电动机的通风措施，在电动机外壳上安装1台轴流风机，对电动机头部“自身循环死区”进行强制送风，加速机体内空气流动，随电动机同步工作。经过多方协调后，变频成套设备厂家增加了滤波器和电动机电抗器，开车2小时后实测机壳温度为43，现场安装风机后，连续运行5小时，手触微有热感，发热问题解决。4、结束语目前选煤厂使用变频器的设备，主要是风机泵类负载，也是工业现场应用最多的负载类型，主要以离心泵和离心风机应用为主，这类负载对变频器的性能要求不高，只要求经济性和可靠性。但变频器产品种类繁多，产品性能和技术优势各有侧重，因此，选配变频器时，还应注意其相关附件如滤波器、电抗器以及制动电阻的配合，避免因附件缺漏引起事故，对于泵类负载在运行中容易发生的喘振、憋压以及水锤效应等异常现象，应在变频器运行参数设定时酌情考虑，避免异常现象发生。本文是我在工程应用中的一点心得，结合选煤厂的实际情况，写出了自己的看法，其中疏漏和欠妥之处，还望各位专家同仁斧正。作者简介：高宇，1995年毕业于沈阳工业大学，工业电气自动化专业，毕业后至今一直在平顶山中选自控系统有限公司从事选煤厂的电气设计及工程调试，电气工程师。慕广斌，1995年毕业于中国矿业大学信息与电子工程学院，电力自动化专业，毕业后至今一直在北京华宇工程有限公司（原选煤设计研究院）从事矸石电厂、