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变频器在半导体制造厂的应用

2019-10-16 09:59编辑:admin人气:


1 引言

  半导体制造业是全球十大重点产业之一,是技术资金密集,技术进步和投资风险高的产业。中纬公司当前是6英吋芯片制造项目。厂务系统使用相当多的变频器。变频驱动装置具有平滑和稳定的运行特性将提高厂务设备的运行稳定,降低对机械和生产设备的冲击应力及节能降耗有积极意义。主要应用在厂务clearroom的mau,exhaust及hvac,upw,pcw等system运行3年取得较好的效果。

  公司使用ab品牌的powerflex700交流变频器及1336 plusii变频器,主要应用于厂务的hvac,c/r系统,该变频器提供一种对电源、控制和操作员界面的灵活封装,用于满足空间、灵活性和可靠性要求,并提供丰富的功能,允许用户对大多数应用很容易地对变频器进行组态等优点。

  异步电动机半导体制造厂务系统最主要的动力设备。作为高能耗设备,其输出功率不能随负荷按比例变化,大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节,而电动机消耗的能量变化不大,从而造成很大的能量损耗。使用变频器对电动机电源进行企业节能降耗、提高效率的重要手段。一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要,又因工艺的需要,往往运行中要改变风量、水量,而目前多数采用档板或阀门来调节的,虽然方法简单,但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能,属不经济的调节方式。从流体力学原理可知,风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下:当风机转速下降时,电动机的功率迅速降低,例风量下降到80%,转速亦下降到80%时,则轴功率下降到额定的51%,若风量下降到50%,轴功率将下降到额定的13%,其节电潜力非常大,并有下述曲线、阴影部分表示采用变频器调速方式的节电效果,其节电可达30-40%效果十分明显。对不同使用频率时的节电率n%可查表1。

  变频调速特点是效率高,无附加转差损耗,调速范围大、精度高、无级的。容易实现协调控制和闭环控制,可利用原有异步电动机对旧设备进行技术改造,它既保留了原有电动机,具有改造简单,可靠、耐用,维护方便的优点,即能达到节电的显著效果,又能恒压力的工艺需求,还能减小机械磨损。因此,可理论上认为风机、水泵采用交流调速来实现较大幅度的节能(可达20~50%)是种较为理想而实用的方法。通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量q,压力h以及轴功率p具有如下关系:qn,hn2,pn3;即,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。本公司使用变频器情况统计可见表2。

2 变频调速原理

  变频器主要采用交直交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制环节4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为igbt三相桥式逆变器,且输出为pwm波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

  n=60f(1-s)/p

  式中:n 异步电动机的转速;

  f 异步电动机的频率;

  f 电动机转差率;

  p 电动机极对数。

  由上式可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

3 变频器容量的选择

  直接起动的交流电机因起动电流大(通常为5~7倍的额定电流),在很短的起动过程中,笼型绕组或阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力,致使笼条(或导条)和端环在很高的应力作用下疲劳断裂。直接起动时的大电流还会在绕组端部产生很大电磁力,使绕组端部变形和振动,造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损,而导致定子绕组绝缘击穿。

  由于变频器传给电动机的是脉冲电流,其脉动值比工频供电时电流要大,因此须将变频器的容量留有适当的余量。此时,变频器应同时满足以下三个条件:

   (kva) (1)

   (a) (2)

   (kva) (3)

  式中:pm、、cos、um、im分别为电动机输出功率、效率(取0.85)、功率因数(取0.75)、电压(v)、电流(a);

  k:电流波形的修正系数(pwm方式取1.05~1.1);

  pcn:变频器的额定容量(kva);

  icn:变频器的额定电流(a);

  式中im如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时,变频器的容量可以适当缩小。具体选择容量时,既要充分利用变频器的过载能力,又要不至于在负载运行时使装置超温。

4 谐波抑制

  变频器使用的突出问题就是谐波干扰,当变频器工作时,输出电流的谐波电流会对电源造成干扰。虽然各变频器厂家对变频器谐波的治理均采取了措施,且基本达到国家标准要求,但谐波仍然是变频器选型和使用中最需要关注的问题。

  由于变频器的整流部分采用二极管不可控桥式整流电路,中间滤波部分采用大电容作为滤波器,所以整流器的输入电流实际上是电容器的充电电流,呈较陡的脉冲波,其谐波分量较大。为了消除谐波,主要采用以下对策:

  (1)安装电抗器:安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧或变频器的直流侧安装电抗器或同时安装,可抑制谐波电流;

  (2)变压器多相运行:通常变频器的整流部分是6脉波整流器,所以产生的谐波较大。应用变压器的多相运行,如使相位角互差30的y-△、△-△组合的2台变压器构成相当于12脉波整流器,则可减小谐波电流,起到谐波抑制作用;

  (3)调节变频器的载波比:提高变频器载波比,可有效抑制低次谐波;

  (4)应用滤波器:滤波器可检测变频器谐波电流的幅值和相位,并产生与谐波电流幅值相同、相位相反的电流,从而有效地吸收和消除谐波电流。

5 结束语

  ab变频器对环境的要求相当比较高,我公司的exhaust有发生变频器过热引起跳脱的情况发生,主要是变频器热量得不到较好的散发。究其原因环境中有大量灰尘积在散热器上,风扇散热受影响而导致变频器trip。变频器发热是由于内部的损耗而产生的,以主电路为主,约占98%左右。控制电路占2%左右。

  为保证变频器正常可靠运行,必须对变频器进行散热。主要方法有:

  (1)采用风扇散热:变频器的内装风扇可将变频器箱体内部热量带走;

  (2)环境温度:变频器是电子装置,内含电子元件及电解电容等,所以温度对其寿命影响较大,则应当采用冷风进行冷却;通用变频器的环境运行温度一般要求-l0℃~+50℃,如果能降低变频器运行温度,就延长了变频器的使用寿命,性能也稳定,所以变频器最好安装在控制室中,这样能较好延长变频器的寿命及工作可靠性。

(来源:未知)

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