變頻器在調速系統中的應用淺談

0 引言

隨著(zhù)變頻器市場(chǎng)的日益繁榮，國內變頻器年用量不斷增長(cháng)，變頻器及其附屬設備的安裝，調試，日常維護及維修工作量也隨之劇增。

1 變頻器的選擇問(wèn)題

變頻調速技術(shù)的通常意義是使用變頻調速器(簡(jiǎn)稱(chēng)變頻器)去拖動(dòng)電動(dòng)機。主要運行特點(diǎn)：實(shí)現電動(dòng)機的無(wú)級調速;實(shí)現軟起動(dòng)，使電動(dòng)機的啟動(dòng)電流小;方便地進(jìn)行加減速控制;使異步電動(dòng)機獲得高性能卻基本上不需對電機進(jìn)行維護。主要用途：較大幅度地節約電能;使控制傳動(dòng)系統自動(dòng)化、高性能化;提高生產(chǎn)效率，增加產(chǎn)量;改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量等。變頻器在系統中應用時(shí)，不是在任何情況下都能帶動(dòng)負載正常使用，因此用戶(hù)有必要對負載、環(huán)境要求和變頻器有更多的了解。

1.1 變頻器的容量

大多數變頻器的容量均以所適用的電動(dòng)機的功率、變頻器的輸出功率和變頻器的輸出電流來(lái)表征。其中最重要的是額定電流，它是指變頻器連續運行時(shí)允許輸出的最大交流電流有效值。額定容量(kV·A)是指額定輸出電流與額定輸出電壓

下的三相表觀(guān)功率。變頻器的輸出電源電壓通常允許在一定范圍內變動(dòng)，所以使用額定容量常會(huì )產(chǎn)生混亂，因此輸出容量一般可以用作衡量變頻器容量的一種輔助表現手段。至于變頻器所適用的電動(dòng)機的功率(kW)，是以標準的4 極電動(dòng)機為對象，在變頻器的額定電流限度內可以拖動(dòng)的電動(dòng)機的功率。如果是6 極以上的異步電動(dòng)機，同樣的功率下，其額定電流較4 極異步電動(dòng)機大，所以變頻器的容量應該相應擴大，以使變頻器的電流不超出其允許值。

由此可見(jiàn)，選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量。因此，采用4 極以上電動(dòng)機或者多電動(dòng)機并聯(lián)時(shí)，應以不允許總電流超過(guò)變頻器的額定電流為原則。通常應令變頻器的額定輸出電流逸(1.05耀1.1)電動(dòng)機的額定電流(銘牌值)或電動(dòng)機實(shí)際運行中的最大電流。

1.2 負載類(lèi)型和變頻器的選擇

電動(dòng)機所帶動(dòng)的負載不一樣，對變頻器的要求也不一樣。

1)風(fēng)機和水泵是最普通的變轉矩負載對變頻器的要求比較簡(jiǎn)單，只要變頻器容量等于電動(dòng)機容量即可(空壓機、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂(lè )噴泉需加大容量)。

2)重機類(lèi)型負載這類(lèi)負載的特點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，因此要求變頻器容量要有一定的裕量。同時(shí)，在重物下放時(shí)，會(huì )有能量回饋問(wèn)題，因此要使用制動(dòng)單元或采用共用母線(xiàn)方式來(lái)消耗回饋能量。

3)均衡負載有的負載有時(shí)輕，有時(shí)重，此時(shí)應按照重負載的情況來(lái)選擇變頻器的容量，例如軋鋼機機械、粉碎機、攪拌機等。

4)慣性負載如離心機、沖床、水泥廠(chǎng)的旋轉窯，此類(lèi)負載慣性很大，因此啟動(dòng)時(shí)可能會(huì )震蕩，電動(dòng)機減速時(shí)還有能量回饋。應該用容量稍大的變頻器來(lái)加快啟動(dòng)，避免震蕩，再配合制動(dòng)單元消除回饋電能。

負載如果長(cháng)期處于低速運轉，電機的發(fā)熱量就會(huì )較高，而風(fēng)扇冷卻能力卻降低了，因此必須采用加大減速比的方式或改用6 級電機，使電機運轉在較高頻率附近。

2 變頻器的工作環(huán)境問(wèn)題

在變頻器的實(shí)際應用中，由于國內客戶(hù)除少數有專(zhuān)用機房外，大多為了降低成本，將變頻器直接安裝于工作現場(chǎng)。工作現場(chǎng)一般是灰塵大、溫度高，在南方還有濕度大的問(wèn)題。在線(xiàn)纜、陶瓷等行業(yè)金屬粉塵大，在印染飲品、果汁行業(yè)還存在濕度大，在煤礦等場(chǎng)合還有防爆的要求等。因此必須根據現場(chǎng)情況做出相應的對策。

2.1 變頻器安裝設計的基本要求

1)變頻器安裝地點(diǎn)必須符合標準環(huán)境的要求，否則易引起故障或縮短使用壽命;變頻器與驅動(dòng)馬達之間的距離一般不超過(guò)50 m，若需要更長(cháng)的距離則需要降低載波頻率或增加輸出電抗器選件才能正常運轉。

2)變頻器應安裝在控制柜內部，而且變頻器最好安裝在控制柜內的中部，變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風(fēng)、進(jìn)風(fēng)的大部件。

3)變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部、或者隔板、或者必須安裝的大部件等的最小間距，應該躍300 mm。

4)如果特殊用戶(hù)在使用中需要取掉鍵盤(pán)，則變頻器面板的鍵盤(pán)孔，要用膠帶嚴格密封或者采用假面板替換，以防止粉塵大量進(jìn)入變頻器內部。

5)對變頻器要進(jìn)行定期維護，及時(shí)清理內部的粉塵等。其他的基本安裝、使用要求必須遵守用戶(hù)手冊上的有關(guān)說(shuō)明。

2.2 控制柜的防塵和防潮的設計要求

在多粉塵場(chǎng)所，特別是多金屬粉塵、絮狀物的場(chǎng)所使用變頻器時(shí)，采取正確、合理的防護措施是十分必要的，防塵措施對保證變頻器的正常工作非常重要?？傮w要求是控制密封柜整體，應該通過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)。在控制柜頂部設防護網(wǎng)和防護頂蓋出風(fēng)口，在控制柜底部應該有底板和進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)線(xiàn)孔，并安裝防塵網(wǎng)。具體要求是：

1)控制柜的風(fēng)道要設計合理，排風(fēng)通暢，避免在柜內形成渦流，從而造成在固定的位置形成灰塵堆積。

2)控制柜頂部出風(fēng)口上面要安裝防護頂蓋，防止雜物直接落入，防護頂蓋高度要合理，不影響排風(fēng)。防護頂蓋的側面出風(fēng)口要安裝防護網(wǎng)，防止絮狀雜物直接落入。

3)一定要確?？刂乒耥敳康妮S流風(fēng)機旋轉方向正確，保證向外抽風(fēng)。如果風(fēng)機安裝在控制柜頂部的外部，必須確保防護頂蓋與風(fēng)機之間有足夠的高度;如果風(fēng)機安裝在控制柜頂部的內部，安裝所需的螺釘必須采用止逆彈件，防止風(fēng)機脫落造成柜內元件和設備的損壞。建議在風(fēng)機和柜體之間加裝塑料或者橡膠減振墊圈，這樣可以大大減小風(fēng)機震動(dòng)造成的噪音。

4)控制柜的前、后門(mén)和其他接縫處，要采用密封墊片或者密封膠進(jìn)行密封處理，防止粉塵進(jìn)入。

控制柜底部、側板的所有進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)線(xiàn)孔，要安裝粉塵網(wǎng)，阻隔絮狀雜物進(jìn)入。防塵網(wǎng)應該設計為可拆卸式，以方便清理、維護。

5)對控制柜一定要進(jìn)行定期維護，及時(shí)清理內部、外部的粉塵、絮毛等雜物。維護周期可根據具體情況而定，但應該小于2~3 個(gè)月，對粉塵嚴重的場(chǎng)所，建議維護周期在1 個(gè)月左右或者是更短的時(shí)間。

6)在潮濕或有腐蝕氣體的場(chǎng)合中，控制柜可以采用獨立的進(jìn)風(fēng)口，單獨的進(jìn)風(fēng)口可以設在控制柜的底部，通過(guò)獨立密封的地溝與外部干凈環(huán)境連接，此方法需要在進(jìn)風(fēng)口處安裝一個(gè)防塵網(wǎng)，如果地溝超過(guò)2 m以上，可以考慮加裝鼓風(fēng)機來(lái)

加強通風(fēng)速度。密封的控制柜要加裝干燥劑或者吸附毒性氣體的活性材料，并需要經(jīng)常更換。

3 抗干擾問(wèn)題

3.1 抗外來(lái)干擾

外來(lái)干擾的主要侵入渠道是變頻器的控制電纜，故控制電纜的鋪設必須采取充分的抗干擾措施。外界干擾的種類(lèi)有電磁波干擾、靜電耦合干擾、電源線(xiàn)傳導干擾及控制回路接觸不良產(chǎn)生的干擾，因此抗干擾可以采取以下幾點(diǎn)。

1)抗電磁感應干擾為減輕干擾源電纜產(chǎn)生的磁通影響，將控制電纜與干擾源距離增大，分離距離必須在30 cm以上。如分離困難，則將控制電纜穿過(guò)鐵管進(jìn)線(xiàn)，進(jìn)行電磁屏蔽。為最大限度地減小由控制電纜形成的等效環(huán)所圍繞面積，以及使干擾源電纜和控制電纜間等效平面盡量正交，可把控制電纜導體絞合。導體絞合間距越小，耐干擾效果就越好。

2)抗電磁波干擾干擾源通過(guò)輻射，使變頻器的控制電纜產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，形成電磁波干擾。

干擾的大小決定于干擾源電纜產(chǎn)生的電磁輻射的強弱?？刹捎每闺姶鸥袘蓴_的方法抑制。如果電磁輻射對小型變頻器影響較大，可將變頻器置于金屬殼體中，并將外殼接地即可。

3)抗接觸不良的干擾這種干擾是由于電氣連接或接觸部分的接觸狀態(tài)不好而造成的。典型的接觸不良干擾是繼電器或接觸器觸點(diǎn)的接觸不良和電纜線(xiàn)間連接點(diǎn)的接觸不良。防止這些接觸不良的方法是在控制信號產(chǎn)生側或變頻器側采用并聯(lián)觸點(diǎn)，以保證觸點(diǎn)的工作可靠。為了使繼電器、接觸器觸點(diǎn)接觸狀態(tài)經(jīng)常保持良好，可選用密閉式繼電器或無(wú)腐蝕性氣體的設置場(chǎng)所。對于電纜線(xiàn)連接點(diǎn)接觸不良，可用定期擰緊加固連接點(diǎn)的方法。

4)抗電源線(xiàn)傳導干擾對于電網(wǎng)上其他設備通過(guò)電源線(xiàn)竄入變頻器及控制電路的干擾采用的消除措施有變頻器的控制電源單獨供電;在控制電源的輸入側裝設線(xiàn)路濾波器，濾除外部設備產(chǎn)生的干擾電壓及干擾電流;還可以裝設抗干擾絕緣變壓器，使用此設備時(shí)，須將絕緣變壓器的屏蔽接地。

3.2 變頻器產(chǎn)生的干擾和抑制

變頻器內部的開(kāi)關(guān)器件在通斷工作時(shí)產(chǎn)生的高次諧波對于與其有電氣連接的其他設備會(huì )產(chǎn)生影響，如：對周?chē)碾娮釉O備產(chǎn)生感應干擾;對附近的通信設備、無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)生輻射干擾。

其干擾表現一是變頻器是一個(gè)干擾源，通過(guò)電源線(xiàn)直接把干擾傳播到其他電子設備;另一種是變頻器主回路電纜與電子設備信號電纜間的電磁感應耦合輻射傳播的。抑制這種干擾可將電子設備的電源系統與變頻器主回路電源分離，即采用不同的電源，單獨提供電源為電子設備供電，再配合使用隔離變壓器、濾波器抑制電源側的干擾。

還要加大電子設備的輸入輸出電纜與變頻器的主回路電纜的距離。另外，電子設備要有自己的接地，不能與變頻器主回路接地連一起。在采用外部開(kāi)關(guān)量控制變頻器時(shí)，要采用屏蔽電纜，防止變頻器誤動(dòng)作。

要抑制變頻器產(chǎn)生的干擾，還可通過(guò)給變頻器加裝交流和直流電抗器，這樣能提高功率因數，減小諧波污染，綜合效果好。在某些電機與變頻器之間距離超過(guò)100 m的場(chǎng)合，需要在變頻器輸出側添加交流輸出電抗器，解決因為輸出導線(xiàn)對地分布參數造成的漏電流保護和減少對外部的輻射干擾。在采用外部通訊控制變頻器時(shí)，建議采用屏蔽雙絞線(xiàn)，并將變頻器側的屏蔽層接地(PE)，如果干擾非常嚴重，建議將屏蔽層接控制電源地(GND)。對于RS232通訊方式，注意使控制線(xiàn)路盡量不要超過(guò)15 m，對于采用現場(chǎng)總線(xiàn)的高速控制系統，通訊電纜必須采用專(zhuān)用電纜，并采用多點(diǎn)接地的方式，這樣才能夠提高可靠性。

4 結語(yǔ)

加強對變頻調速系統設計的學(xué)習非常必要，只有合理選擇變頻器，并解決變頻調速系統設計中的實(shí)際問(wèn)題，才能使所設計的變頻調速系統達到理想的使用效果，保證系統的性能指標良好。