正弦波濾波器在變頻器長距離控制中的應(yīng)用

1、正弦波濾波器在變頻器長距離控制中的應(yīng)用葉先健 李鋒重慶弛源化工有限公司摘要：本文介紹了負(fù)載與變頻器之間因控制距離超過300米，而出現(xiàn)的無法啟動、報警等故障現(xiàn)象。圍繞解決以上故障現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)的分析，確定了加裝正弦波濾波器的實施方案，對加裝的意義、作用和選型進(jìn)行了分析對比。為變頻器長距離控制設(shè)計、維護(hù)提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞： 變頻器 濾波器 長距離1.概述建峰工業(yè)集團(tuán)弛源化工聚四氫呋喃項目電氣專業(yè)在調(diào)試階段出現(xiàn)了部分現(xiàn)場需變頻控制的電機因變頻器至電機之間的距離過長（超過300米），變頻器在啟動中出現(xiàn)過流、失壓等報警，電機運行聲音不穩(wěn)定等情況。造成設(shè)備無法啟動和運行性能下降，通過對比多種解決方案，

2、最后確定了增加正弦波濾波器的解決方案，方案實施后有效的解決了以上故障。2.故障現(xiàn)象 聚四甲醛裝置37%堿液泵電機型號為YB2-801-4WF1，功率0.37KW,轉(zhuǎn)速1480r/min。變頻器使用的是丹弗斯FC302系列。在安裝完畢進(jìn)行單體調(diào)試時，變頻器報過流故障代碼，電機無法啟動。同樣情況也出現(xiàn)在乙炔焚燒爐裝置，該裝置共有變頻電動機六臺，功率有185KW 1臺、160KW 3臺、15KW 2臺，雖然電機能啟動運行，但是電動機運行有明顯的電磁聲音，溫升也較相同功率的電機溫度高10度左右，變頻器運行聲音不正常，振動較大。3.故障原因及危害分析3.1故障原因針對以上故障現(xiàn)象，我們對電機本體和變頻器

3、以及控制回路的電氣元件進(jìn)行全面檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。但是將電機移至變頻器柜旁進(jìn)行試車，電機卻能運行正常，以上異?，F(xiàn)象全部消除。通過查閱變頻器說明書，F(xiàn)C302最大允許變頻器至電動機的電纜長度是屏蔽電纜150M，非屏蔽電纜300M，而甲醛裝置37%堿液泵與變頻器距離有372米。焚燒爐裝置電機與變頻器之間的距離更是達(dá)到了455米、440米和530米。 變頻器出現(xiàn)變頻器在啟動中出現(xiàn)過流、失壓等報警，電機運行聲音不穩(wěn)定等情況均為變頻器至電機的動力電纜距離較長，超過了變頻器設(shè)計控制范圍造成的。變頻器與電機之間的動力電纜過長導(dǎo)致分布電容增大。所謂分布電容，就是指由非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)。而變頻器輸出距

4、離受限的問題，和電纜的分布電容有密切關(guān)系，不只是電容器才有電容，實際上任何兩個絕緣導(dǎo)體之間都存在電容。通常情況下，這個電容值很小，電纜長度較短時，它的實際影響可以忽略不計，如果電纜很長或傳輸信號頻率很高時，就必須考慮分布電容的作用。在電纜遠(yuǎn)距離敷設(shè)系統(tǒng)中，電纜的電容會表現(xiàn)的較為明顯，對控制回路產(chǎn)生一定的影響，甚至影響控制功能，特別是對于變頻器控制普通低壓電機的控制回路（小功率的尤為明顯），故障較多表現(xiàn)為過流、起停失靈等現(xiàn)象，給生產(chǎn)和維護(hù)造成很大的安全隱患。3.2對變頻器的危害動力電纜過長導(dǎo)致輸出線上的分布電容和分布電感的共振產(chǎn)生浪涌電壓，將會疊加到輸出電壓上，晶體管、igbt的開關(guān)頻率越高，電

5、纜越長，產(chǎn)生的浪涌電壓越高，最高時，可產(chǎn)生直流電壓的兩倍的浪涌電壓。這種情況下，很容易引起過壓過流保護(hù)，甚至擊穿功率模塊。3.3對電動機的危害由于變頻器采用pwm脈寬調(diào)制技術(shù)，變頻器中的功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，器件的高速開關(guān)動作使得電壓和電流在短時間內(nèi)發(fā)生跳變，這使得電壓、電流波形中含有諧波成分，其中高次諧波會使變頻器輸出電流增大，造成電機繞組發(fā)熱，產(chǎn)生振動和噪聲，加速絕緣老化，還可能損壞電機。同時各種頻率的諧波會向空間發(fā)射不同頻率的無線電干擾，可能導(dǎo)致其它設(shè)備誤動作。4.四種解決方案分析對比4.1縮短控制距離縮短變頻器至電動機之間的電纜距離是解決以上問題最直接的方法。但是配電室變頻器和現(xiàn)

6、場電機都是固定了的，電纜也不可能隨意布設(shè)，必須沿著橋架敷設(shè)，故縮短電纜的方法不可行。還有就是將變頻器布置在電動機附近，但是對于聚四項目這種EXdCT4和EXdBT4高危險等級的爆炸區(qū)域來說，現(xiàn)場設(shè)置防爆控制柜的成本比較高，需考慮變頻器的散熱和現(xiàn)場操作控制，且將變頻器設(shè)置在現(xiàn)場必須將控制柜制作成正壓通風(fēng)型，需增加相應(yīng)的正壓通風(fēng)設(shè)備和相關(guān)的管線，綜合考慮防爆和相應(yīng)的安全因素，現(xiàn)場設(shè)置防爆柜的方案也不可行。4.2調(diào)整載波頻率.變頻器的載波頻率就是決定IGBT的開通與關(guān)斷的次數(shù)的頻率。它主要影響以下幾方面：4.2.1載波頻率對變頻器自身的影響功率模塊IGBT的功率損耗與載波頻率有關(guān)，載波頻率越大，變頻

7、器的損耗越大，輸出功率越小，功率模塊發(fā)熱增加。如果環(huán)境溫度高，逆變橋上下兩個逆變管在交替導(dǎo)通過程中的死區(qū)將變小，嚴(yán)重時可導(dǎo)致橋臂短路而損壞變頻器。4.2.2載波頻率對變頻器輸出二次電流的波形影響當(dāng)載波頻率越高時，則電壓波的占空比越大，電流高次諧波成份越小，即載波頻率越高，電流波形的平滑性越好。這樣諧波就小，干擾就小，反之就差;載波頻率越高，變頻器允許輸出的電流越小;載波頻率越高，布線電容的容抗越小，由高頻脈沖引起的漏電流越大。4.2.3載波頻率對電機的影響當(dāng)載波頻率過低時，電機有效轉(zhuǎn)矩減小，損耗加大，溫度增高，同時輸出電壓的變化率dv/dt增大，對電動機絕緣影響較大;當(dāng)載波頻率過高時，電機的振

8、動減小，運行噪音減小，電機發(fā)熱也減少，但是諧波電流的頻率增高，電機定子的集膚效應(yīng)更嚴(yán)重，電機損耗增大，輸出功率減小。4.2.4載波頻率對其它設(shè)備的影響載波頻率越高，高頻電壓通過靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)，電磁輻射等對電子設(shè)備的干擾也越嚴(yán)重。從以上四點可以看出，調(diào)整載波頻率不能有效解決現(xiàn)狀所帶來的危害。4.3加裝電抗器一般情況加裝輸出電抗器可以緩解控制距離過長的問題，因為輸出電抗器可以補償電機長電纜運行時的耦合電容的充放電影響，避免變頻器過流。但是我們選用的丹弗斯F302系列變頻器本身就自帶了兩個輸出直流電抗器，這也是為什么丹弗斯變頻器能在300米范圍內(nèi)控制電機而其他品牌的變頻器只有150米左右的控制距

9、離的原因?？刂凭嚯x超過300米，加裝電抗器也不能有效解決變頻器和電機出現(xiàn)的問題。4.4加裝正弦波濾波器正弦波濾波器是用在變頻器輸出端，它可以改善變頻器輸出波形，使變頻器的輸出電壓和電流近似于正弦波，減少電機諧波疇變系數(shù)和電機絕緣壓力。與輸出電抗器、dv/dt濾波器相比較，正弦波濾波器末端有一級電容濾波電路，使變頻器輸出波形接近正弦波。綜合分析以上四種方案，加裝正弦波濾波器是最佳的解決方案。5.正弦波濾波器的安裝與效果5.1正弦波濾波器電氣連接圖5.1正弦波濾波器安裝比較簡單，變頻器的輸出U,V,W(96,97,98)端子接入正弦波濾波器U1,V1,W1(U,V,W);正弦波濾波器的U2,V2,

10、W2(X,Y.Z)接電機。如圖5.1所示。5.2正弦波濾波器效果對比丹佛斯正弦波濾波器是專用于FC系列變頻器的，是由電感（L）和電容器(C)組成的低通濾波器，正弦波濾波器減小了電機絕緣沖擊并消除了電機的電磁噪聲。同時還減小了對軸承的沖擊，對50KW以上的大型電機尤其如此。如圖5.2和5.3所示，電機使用了正弦波電壓供電，因此減小了電機損耗。安裝后的電機噪音也明顯減小，如圖5.4和5.5。1 器圖5.2變頻器不帶正弦波濾波器圖 圖5.3變頻器帶正弦波濾波器的電壓和電流波形 的電壓和電流波形圖5.4不帶正弦波濾波器電機噪音 圖5.5帶正弦波濾波器電機噪音6.安裝注意事項還需注意的是在選擇正弦波濾波

11、器的時候要根據(jù)正弦波濾波器的選型不應(yīng)小于變頻器額定電流的原則。還需考慮在50HZ及以下時，具備160%過載能力（每10分鐘過載1分鐘），高于50HZ運行，或者環(huán)境溫度高于45度正弦波濾波器需降容使用。安裝正弦波濾波器后，還需對變頻器進(jìn)行重新設(shè)置，即14-00（開關(guān)模式）: SFAVM；14-01(開關(guān)頻率)：4KHZ；14-55(輸出濾波器選擇)：正弦波濾波器；14-56（輸出濾波器電容值）和14-57（輸出濾波器電感值）根據(jù)電機功率和濾波器銘牌進(jìn)行修改。正弦波濾波器的電容通過傳動放電。斷開電源5分鐘后才能對濾波器進(jìn)行操作。正弦波濾波器必須牢靠接地。7.結(jié)束語工業(yè)生產(chǎn)中的變頻器控制越來越多，在遇到變頻器與電機之間距離超過150米（國產(chǎn)品牌），300米（丹弗斯F302系列）甚至更長的時候，加裝正弦波