1 變頻器的合理選用


   選用變頻器的類型，按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟(jì)，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求。


   1.1需要控制的電機(jī)及變頻器自身

   (1)電機(jī)的極數(shù)。一般電機(jī)極數(shù)以不多于４極為宜，否則變頻器容量就要適當(dāng)加大。

   (2)轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在同等電機(jī)功率情況下，相對(duì)于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取。

   (3)電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時(shí)可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當(dāng)電機(jī)與變頻器距離超過50ｍ時(shí)，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。


   表１為不同類型變頻器的主要性能、應(yīng)用場合；表２為常見輸送設(shè)備的負(fù)載特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，可供變頻器選型時(shí)參考。

   1.2變頻器功率的選用

   變頻器負(fù)載率ｂ與效率ｈ的關(guān)系曲線見圖１。

圖１ 變頻器負(fù)載率ｂ與效率ｈ的關(guān)系曲線


   可見：當(dāng)ｂ＝50％時(shí)，ｈ＝94％；當(dāng)ｂ＝100％時(shí)，ｈ＝96％。雖然ｂ增一倍，ｈ變化僅2％，但對(duì)中大功率例幾百ＫＷ至幾千ＫＷ電動(dòng)而言亦是可觀的。系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：


   (1)變頻器功率值與電動(dòng)機(jī)功率值相當(dāng)時(shí)最合適，以利變頻器在高的效率值下運(yùn)轉(zhuǎn)。



表１



表２


   (2)在變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。

   (3)當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級(jí)的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運(yùn)行。

   (4)經(jīng)測試，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確實(shí)有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器，但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì)造成過電流保護(hù)動(dòng)作。

   (5)當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí)，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。


   1.3變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用

   變頻器的箱體結(jié)構(gòu)要與環(huán)境條件相適應(yīng)，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見有下列幾種結(jié)構(gòu)類型可供用戶選用：
(1)敞開型ＩＰ００型本身無機(jī)箱，適用裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上，尤其是多臺(tái)變頻器集中使用時(shí)，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高；

   (2)封閉型ＩＰ２０型適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合；

   (3)密封型ＩＰ４５型適用工業(yè)現(xiàn)場條件較差的環(huán)境；

   (4)密閉型ＩＰ６５型適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場合。


   1.4變頻器容量的確定 

   合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡便的方法有三種： 

   (1)電機(jī)實(shí)際功率確定發(fā)。首先測定電機(jī)的實(shí)際功率，以此來選用變頻器的容量。 

   (2)公式法。設(shè)安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量Pb為：Pb＝1.05Pm／ｈｍ×cosy(kW)，式中，Pm為電機(jī)負(fù)載；hm為電機(jī)功率。計(jì)算出Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄選具體規(guī)格。 


   當(dāng)一臺(tái)變頻器用于多臺(tái)電機(jī)時(shí)，應(yīng)滿足：至少要考慮一臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。


   (3)電機(jī)額定電流法變頻器。變頻器容量選定過程，實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機(jī)的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率，但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實(shí)際需要的能力小，因此按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。對(duì)于輕負(fù)載類，變頻器電流一般應(yīng)按1.1IN（IN為電動(dòng)機(jī)額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標(biāo)明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機(jī)功率來選擇。


   1.5主電源 

   (1)電源電壓及波動(dòng)。應(yīng)特別注意與變頻器低電壓保護(hù)整定值相適應(yīng)（出廠時(shí)一般設(shè)定為0.8～0.9UN），因?yàn)樵趯?shí)際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。

   (2)主電源頻率波動(dòng)和諧波干擾。這方面的干擾會(huì)增加變頻器系統(tǒng)的熱損耗，導(dǎo)致噪聲增加，輸出降低。

   (3)變頻器和電機(jī)在工作時(shí)，自身的功率消耗。在進(jìn)行系統(tǒng)主電源供電設(shè)計(jì)時(shí)，兩者的功率消耗因素都應(yīng)考慮進(jìn)去。


   2 抗干擾

   變頻器由主回路和控制回路兩大部分組成，由于主回路的非線性（進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作），變頻器本身就是諧波干擾源，所以對(duì)電源側(cè)和輸出側(cè)的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生影響。與主回路相比，變頻器的控制回路卻是小能量、弱信號(hào)回路，極易遭受其它裝置產(chǎn)生的干擾。因此，變頻器在安裝使用時(shí)，必須對(duì)控制回路采取抗干擾措施。


   2.1變頻器的基本控制回路

   同外部進(jìn)行信號(hào)交流的基本回路有模擬與數(shù)字兩種：①４～２０ｍＡ電流信號(hào)回路（模擬）；１～５Ｖ／０～５Ｖ電壓信號(hào)回路（模擬）。②開關(guān)信號(hào)回路，變頻器的開停指令、正反轉(zhuǎn)指令等（數(shù)字）。


   外部控制指令信號(hào)通過上述基本回路導(dǎo)入變頻器，同時(shí)干擾源也在其回路上產(chǎn)生干擾電勢(shì)，以控制電纜為媒體入侵變頻器。


   
   2.2干擾的基本類型及抗干擾措施。   


   (1)靜電耦合干擾：指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中產(chǎn)生的電勢(shì)。
措施：加大與干擾源電纜的距離，達(dá)到導(dǎo)體直徑４０倍以上時(shí)，干擾程度就不大明顯。在兩電纜間設(shè)置屏蔽導(dǎo)體，再將屏蔽導(dǎo)體接地。


   (2)靜電感應(yīng)干擾：指周圍電氣回路產(chǎn)生的磁通變化在電纜中感應(yīng)出的電勢(shì)。

   措施：一般將控制電纜與主回路電纜或其它動(dòng)力電纜分離鋪設(shè)，分離距離通常在３０ｃｍ以上（最低為１０ｃｍ），分離困難時(shí)，將控制電纜穿過鐵管鋪設(shè)。將控制導(dǎo)體絞合，絞合間距越小，鋪設(shè)的路線越短，抗干擾效果越好。


   (3)電波干擾：指控制電纜成為天線，由外來電波在電纜中產(chǎn)生電勢(shì)。

   措施：同（１）和（２）所述。必要時(shí)將變頻器放入鐵箱內(nèi)進(jìn)行電波屏蔽，屏蔽用的鐵箱要接地。


   (4)接觸不良干擾：指變頻器控制電纜的電接點(diǎn)及繼電器觸電接觸不良，電阻發(fā)生變化產(chǎn)生的干擾。

   措施：對(duì)繼電器觸點(diǎn)接觸不良，采用并聯(lián)觸點(diǎn)或鍍金觸點(diǎn)繼電器或選用密封式繼電器。對(duì)電纜連接點(diǎn)應(yīng)定期做擰緊加固處理。


   (5)電源線傳導(dǎo)干擾：指各種電氣設(shè)備從同一電源系統(tǒng)獲得供電時(shí)，由其它設(shè)備在電源系統(tǒng)直接產(chǎn)生電勢(shì)。
措施：變頻器的控制電源由另外系統(tǒng)供電；在控制電源的輸入側(cè)裝設(shè)線路濾波器；裝設(shè)絕緣變壓器，且屏蔽接地。


   (6)接地干擾：指機(jī)體接地和信號(hào)接地。對(duì)于弱電壓電流回路及任何不合理的接地均可誘發(fā)的各種意想不到的干擾，比如設(shè)置兩個(gè)以上接地點(diǎn)，接地處會(huì)產(chǎn)生電位差，產(chǎn)生干擾。
措施：速度給定的控制電纜取１點(diǎn)接地，接地線不作為信號(hào)的通路使用。電纜的接地在變頻器側(cè)進(jìn)行，使用專設(shè)的接地端子，不與其它接地端子共用。并盡量減少接地端子引接點(diǎn)的電阻，一般不大于100Ω。


   2.3其它注意事項(xiàng)

   (1)裝有變頻器的控制柜，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大容量變壓器和電動(dòng)機(jī)。其控制電纜線路也應(yīng)避開這些漏磁通大的設(shè)備。

   (2)弱電壓電流控制電纜不要接近易產(chǎn)生電弧的斷路器和接觸器。 

   (3)控制電纜建議采用1.25mm2或2 mm2屏蔽絞合絕緣電纜。

   (4)屏蔽電纜的屏蔽要連續(xù)到電纜導(dǎo)體同樣長。電纜在端子箱中連接時(shí)，屏蔽端子要互相連接。 


   3 故障分析及排除

   3.1變頻器的主要故障原因及預(yù)防措施

   (1)安裝環(huán)境

   <1>對(duì)于振動(dòng)沖擊較大的場合，應(yīng)采用橡膠等避振措施。

   <2>應(yīng)對(duì)控制板進(jìn)行防腐防塵處理，并盡量采用封閉式結(jié)構(gòu)。

   <3>應(yīng)根據(jù)裝置要求的環(huán)境條件安裝空調(diào)或避免日光直射。

   除上述３點(diǎn)外，定期檢查變頻器的空氣濾請(qǐng)器及冷卻風(fēng)扇也是非常必要的。


   對(duì)于特殊的高寒場合，為防止微處理器因溫度過低而不能正常工作，應(yīng)采取設(shè)置空間加熱器等必要措施。


   (2)電源異常

   電源異常表現(xiàn)為各種形式，但大致分以下３種，即：缺相、低電壓、停電。

   <1>如果附近有直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電磁爐等設(shè)備，為　防止這些設(shè)備投入時(shí)造成的電壓降低，硬是變頻器供電系統(tǒng)分離，減小相互影響。

   <2>對(duì)于要求瞬時(shí)停電后仍能繼續(xù)運(yùn)行的場合，除選擇合適規(guī)格的變頻器外，還因預(yù)先考慮負(fù)載電機(jī)的降速比例。變頻器和外部控制回路采用瞬停補(bǔ)償方式，當(dāng)電壓回復(fù)后，通過速度追蹤和測速電機(jī)的檢測來防止在加速中的過電流。

   <3>對(duì)于要求必須量需運(yùn)行的設(shè)備，要對(duì)變頻器加裝自動(dòng)切換的不停電電源裝置。


   二極管輸入及使用單相控制電源的變頻器，雖然在缺相狀態(tài)也能繼續(xù)工作，但整流器中個(gè)別器件電流過大及電容器的脈沖電流過大，若長期運(yùn)行將對(duì)變頻器的壽命及可靠性造成不良影響，應(yīng)及早檢查處理。


   3.2 變頻器本身的故障自診斷及預(yù)防功能


    圖２ 變頻器故障解析圖


   如圖２變頻器故障解析示意圖可知，如果使用矢量控制變頻器中的“全領(lǐng)域自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能”，其中“起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足”，“環(huán)境條件變化造成出力下降”等故障原因，將得到很好的克服。該功能是利用變頻器內(nèi)部的微型計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻所需要的轉(zhuǎn)矩，迅速對(duì)輸出電壓進(jìn)行修正和補(bǔ)償，以抵消因外部條件變化而造成的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩變化。


   此外，由于變頻器的軟件開發(fā)更加完善，可以預(yù)先在變頻器的內(nèi)部設(shè)置各種故障防止措施，并使故障化解后仍能保持繼續(xù)運(yùn)行，例如：

   ①對(duì)自由停車過程中的電機(jī)進(jìn)行再起動(dòng)；

   ②對(duì)內(nèi)部故障自動(dòng)復(fù)位并保持連續(xù)運(yùn)行；

   ③負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大時(shí)能自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行曲線，避免Ｔｒｉｐ；

   ④能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)的異常轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測。


   3.3 變頻器對(duì)周邊設(shè)備的影響及故障防范

   變頻器的安裝使用也將對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。

   (1)電源高次諧波

   由于目前的變頻器幾乎都采用ＰＷＭ控制方式，這樣的脈沖調(diào)制形式使得變頻器運(yùn)行時(shí)在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流，并造成電壓波形畸變，對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，通常采用以下處理措施。

   <1>采用專用變壓器對(duì)變頻器供電，與其它供電系統(tǒng)分離。

   <2>在變頻器輸入側(cè)加裝濾波電抗器或多種整流橋回路，降低高次諧波分量，如圖３所示。


圖３ 輸入側(cè)接線圖



   對(duì)于有進(jìn)相電容器的場合因高次諧波電流將電容電流增加造成發(fā)熱嚴(yán)重，必須在電容前串接電抗器，以減小諧波分量。如圖４所示，對(duì)電抗器的電感應(yīng)合理分析計(jì)算，避免形成ＬＣ振蕩。 


圖４ 串接電抗器示意圖



   對(duì)于現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造時(shí)，由于自冷電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)冷卻能力下降造成電機(jī)過熱。此外，因?yàn)樽冾l器輸出波形中所含有的高次諧波勢(shì)必增加電機(jī)的鐵損和銅損，因此在確認(rèn)電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)和運(yùn)行范圍之后，采取以下的相應(yīng)措施：

   ①對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)冷通風(fēng)或提高電機(jī)規(guī)格等級(jí)。

   ②更換變頻專用電機(jī)。

   ③限定運(yùn)行范圍，避開低速區(qū)。


   (2)高頻開關(guān)形成的尖峰電壓對(duì)電機(jī)絕緣不利

   在變頻器的輸出電壓中，含有高頻尖峰浪用電壓。這些高次諧波沖擊電壓將使電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度降低，尤其以ＰＷＭ控制型變頻器更為明顯，應(yīng)采取以下措施。

   <1>盡量縮短變頻器到電機(jī)的配線距離。

   <2>采用阻斷二極管的浪涌電壓吸收裝置，對(duì)變頻器輸出電壓進(jìn)行處理。

   <3>對(duì)ＰＷＭ型變頻器應(yīng)盡量在電機(jī)輸入側(cè)加裝圖５ａ所示的濾波器。圖５ｂ中無濾波器使輸出電壓上升沿有明顯沖擊電壓，容易造成電機(jī)絕緣損傷。



圖５ 濾波器