變頻器調(diào)速原理及運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題和解決方法

變頻器調(diào)速原理及運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題和解決方法徐惠琴【摘要】簡(jiǎn)述了變頻器調(diào)速原理,同時(shí)針對(duì)通用變頻器運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題逐一展開分析，并提出了相應(yīng)的解決方案.【期刊名稱】《機(jī)械管理開發(fā)》【年(卷)，期】2011(000)001【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P63-65)【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速;諧波;負(fù)載;發(fā)熱【作者】徐惠琴【作者單位】太原市熱力公司仙西太原,030001【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TP391.720引言變頻器VFD(Variable-frequencyDrive)做為工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的設(shè)備之一，以其可靠性高、調(diào)速方便、保護(hù)完善、維護(hù)簡(jiǎn)單和節(jié)能降耗等諸多優(yōu)異性能，逐步取代了其它交流電機(jī)調(diào)速方式，在一般調(diào)速場(chǎng)合，越來(lái)越受到人們的青睞，得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，變頻器暴露出的問(wèn)題也越來(lái)越多。本文結(jié)合變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)，針對(duì)變頻器運(yùn)行過(guò)程中諧波干擾、負(fù)載匹配、發(fā)熱問(wèn)題展開論述，同時(shí)提出解決問(wèn)題的實(shí)施方案。1變頻器調(diào)速原理變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，通過(guò)改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速，提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，改變功率因素、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等功能。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，推動(dòng)了傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。變頻器調(diào)速電路圖見圖1。圖1變頻器電路圖1） 變頻器的主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分由三部分構(gòu)成。（1）將工頻電源變換為直流功率的〃整流器”；（2）吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的〃平波回路”；（3）及將直流功率變換為交流功率的〃逆變器”。2） 變頻器的控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電的主電路提供控制信號(hào)的回路，它由運(yùn)算電路、主電路的電壓（電流）檢測(cè)電路、電動(dòng)機(jī)速度檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路五部分組成。2運(yùn)行過(guò)程中存在的的問(wèn)題及解決方法變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的，在其廣泛應(yīng)用的同時(shí)，出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。特別是諧波問(wèn)題，許多國(guó)家發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。2.1頻器諧波的產(chǎn)生與消除[1]變頻調(diào)速裝置中，變頻器的主電路為典型〃交-直-交”變頻方式，輸入部分為整流電器，輸出部分為逆變電路，這些都是由非線性原件組成，在開斷過(guò)程中，其輸入輸出端都會(huì)產(chǎn)生諧波。較低次諧波通常對(duì)電機(jī)負(fù)載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電電流增加，使電機(jī)出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。為了消除諧波，可采用以下對(duì)策：1） 選擇知道阻抗大的變壓器。通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無(wú)功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗，所以選擇變頻器供電電源變壓器時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。2） 安裝電抗器。在變頻器輸入、輸出側(cè)串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的，以減少傳輸過(guò)程中的電磁輻射，通過(guò)抑制諧波電流來(lái)提高功率因數(shù)。（1）輸入電抗器。在電源與變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器如圖2所示。通過(guò)增大整流阻抗有效抑制高次諧波電流，減少電源浪涌對(duì)變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數(shù)，降低進(jìn)線電流波形畸變。（2）在直流環(huán)節(jié)串聯(lián)直流電抗器。直流電抗器串聯(lián)在直流中間環(huán)節(jié)母線中，可減少輸入電流的高次諧波，提高輸入電源的功率因數(shù)。直流電抗器可與交流電抗器同時(shí)使用，變頻器功率〉30kW時(shí)才考慮配置。（3）輸出電抗器（電機(jī)電抗器）。由于電機(jī)與變頻器之間的電纜存在分布電容，尤其當(dāng)電纜距離較長(zhǎng)，且電纜較粗時(shí)，變頻器逆變電路輸出的調(diào)制方波會(huì)在電路上產(chǎn)生一定的過(guò)電壓，影響電機(jī)正常工作，可以通過(guò)在變頻器和電機(jī)間連接輸出電抗器來(lái)進(jìn)行限制。串聯(lián)輸出電抗器原理圖見圖3。圖2串聯(lián)交流電抗器圖3串聯(lián)輸出電抗器3） 變壓器多相運(yùn)行［2］。通用變頻器是六脈沖波整流器，產(chǎn)生的諧波較大。利用變壓器二次繞組接法的不同，使兩組三相交流電源間相位相角互差30°，整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法，這樣可將整流電路的脈沖數(shù)提高到12脈沖波，更好地抑制低次諧波。目前，12相脈沖整流的畸變大約為10%~15%,18相的為3%~8%，完全滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。其缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，成本費(fèi)用較高。4） 調(diào)節(jié)變頻器的載波比。理論上載波比越大輸出精度也越高，但過(guò)大的載波比意味著極高的開關(guān)頻率，在高頻率應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)帶來(lái)很大的開關(guān)損耗，甚至沒(méi)有器件可供選擇，所以，載波比必須作首要的權(quán)衡。但適當(dāng)調(diào)節(jié)變頻器的載波比，可以有效抑制低次諧波。5）選用適當(dāng)濾波器。變頻器輸入、輸出電路中，有許多高頻諧波電流。使用專用濾波器可以跟蹤補(bǔ)償頻率和幅值都變化的變頻器諧波，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)變頻器諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流幅值相同、相位相反的補(bǔ)償電流，從而可以非常有效地吸收諧波電流，抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo)，同時(shí)也可抑制外界無(wú)線電干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌對(duì)變頻器的干擾。其特性不受系統(tǒng)影響，無(wú)諧波放大危險(xiǎn)，應(yīng)用廣泛。2.2負(fù)載匹配問(wèn)題及對(duì)策生產(chǎn)機(jī)械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉(zhuǎn)矩特性是復(fù)雜的，大體分為三種類型：即恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、二次方律負(fù)載和恒功率負(fù)載。針對(duì)不同的負(fù)載類型，應(yīng)選擇不同類型的變頻器。1） 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩均保持恒定。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載又可分為摩擦類負(fù)載、位能式負(fù)載。摩擦類負(fù)載的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的150%左右，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的100%左右，所以變頻器應(yīng)選擇那些具有恒定轉(zhuǎn)矩特性，并且啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩都比較大，過(guò)載時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)載能力大的變頻器。位能式負(fù)載一般要求大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和能量回饋功能，能夠快速實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，變頻器應(yīng)選擇具有四象限運(yùn)行能力的變頻器。2） 二次方律負(fù)載［3］。此類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而負(fù)載的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載就是典型的二次方律負(fù)載，通用變頻器在這類負(fù)載上的應(yīng)用最多。這類負(fù)載對(duì)變頻器的性能要求不高，只要求經(jīng)濟(jì)性和可靠性。需要說(shuō)明的是，此類負(fù)載，如果將變頻器輸出頻率提高到工頻以上，功率會(huì)急劇增加，有時(shí)甚至超過(guò)電動(dòng)機(jī)所配變頻器的容量，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱或不能運(yùn)轉(zhuǎn)，所以對(duì)這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不要輕易將頻率提高到工頻以上。風(fēng)機(jī)負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，所以變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)在變頻器具體設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)修正，在確保變頻器啟動(dòng)時(shí)不發(fā)生過(guò)流跳閘，減速時(shí)不發(fā)生過(guò)電壓跳閘的情況下，選擇最短時(shí)間。泵類負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，容易發(fā)生喘振、憋壓和水垂效應(yīng)，因此變頻器選型時(shí)，要選擇適于泵類負(fù)載的變頻器且變頻器在功能設(shè)定時(shí)要針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。在變頻器功能設(shè)定時(shí)，通過(guò)測(cè)量易發(fā)生喘振的頻率點(diǎn)，設(shè)定跳躍頻率點(diǎn)和寬度，避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象；通過(guò)限定變頻器的最低頻率，從而限定泵流量臨界點(diǎn)處的系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速，則可避免憋壓現(xiàn)象的發(fā)生；泵類負(fù)載在突然斷電時(shí)，變頻器按減速曲線停止，在電機(jī)完全停止后再斷開主電路電，或者設(shè)定“斷電減速停止”功能，這樣就避免了水垂現(xiàn)象的發(fā)生。3）恒功率負(fù)載。恒功率負(fù)載是指在不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的功率基本恒定，轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)速成反比的負(fù)載。利用變頻器驅(qū)動(dòng)恒功率負(fù)載時(shí)，應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的，通?？紤]在某個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)（基頻）以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而在高于該轉(zhuǎn)速點(diǎn)時(shí)才采用恒功率調(diào)速方式。2.3發(fā)熱問(wèn)題及對(duì)策在變頻器工作時(shí)，流過(guò)變頻器的電流很大，導(dǎo)致變頻器產(chǎn)生的熱量也非常大。如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為準(zhǔn)或變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器，并且安裝在機(jī)柜中，那么變頻器發(fā)熱量會(huì)更大。由于變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)上升，使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)下降，環(huán)境溫度升高10度，變頻器使用壽命減半，因此，為了保證變頻器正?？煽窟\(yùn)行，必須重視散熱問(wèn)題。1）解決控制柜內(nèi)的發(fā)熱量。當(dāng)變頻器安裝在控制機(jī)柜中時(shí)，要考慮變頻器發(fā)熱值問(wèn)題。根據(jù)機(jī)柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)柜的尺寸。在變頻器安裝時(shí)，將其散熱器部分安裝在控制機(jī)柜的外面，可將變頻器70%的發(fā)熱量釋放到機(jī)柜外。對(duì)于大容量變頻器來(lái)說(shuō)，由于其發(fā)熱量很大，這種安裝方式更加有效。或者用隔離板把本體和散熱器隔開，使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。另外，如果有制動(dòng)電阻的話，由于制動(dòng)電阻的散熱量很大，因此安裝位置最好和變頻器隔開，可以安裝在機(jī)柜上面或旁邊等。2） 采用冷卻風(fēng)扇。一般功率稍微大一點(diǎn)的變頻器，都帶有冷卻風(fēng)扇，同時(shí)，也建議在控制柜出風(fēng)口處安裝冷卻風(fēng)扇。另外，在控制柜進(jìn)風(fēng)口安裝濾網(wǎng)可以防止灰塵進(jìn)入控制柜；注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇需同時(shí)具備，不能相互替代；當(dāng)風(fēng)扇不能正常工作時(shí)，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行。3） 降低安裝環(huán)境溫度。由于變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元、電解電容等，所以溫度對(duì)其壽命影響比較大。可采用兩種方法降低變頻器運(yùn)行溫度，一種方法是建造單獨(dú)的變頻器低壓間，內(nèi)部安裝空調(diào)，保持低壓間溫度在+15°C~+20OC之間。另一種方法是變頻器的安裝空間要滿足變頻器使用說(shuō)明書的要求。例如，變頻器散熱設(shè)計(jì)中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的，橫向安裝會(huì)影響散熱；如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器，應(yīng)將電抗器安裝在變頻器側(cè)面或側(cè)上方。4） 變頻器發(fā)生非正常運(yùn)行（如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等）產(chǎn)生的損耗必須通過(guò)正常的選型來(lái)避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載：當(dāng)變頻器出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，功率單元因其流過(guò)過(guò)載電流而升溫，導(dǎo)致變頻器過(guò)熱。此時(shí)必須盡快使其降溫以使變頻器的過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作消除，這個(gè)冷卻過(guò)程就是變頻器的過(guò)載周期。不同的變頻器，其過(guò)載倍數(shù)、過(guò)載時(shí)間和過(guò)載周期均不相同，并且其過(guò)載倍數(shù)越大，過(guò)載時(shí)間越短。針對(duì)長(zhǎng)期工作制的電機(jī)，變頻器可根據(jù)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)進(jìn)行選型。而針對(duì)重復(fù)短時(shí)工作制電機(jī)，由于其特點(diǎn)是重復(fù)性和短時(shí)性，允許其過(guò)載且有一定的溫升，變頻器在參考電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的情況下要根據(jù)電機(jī)負(fù)載圖和變頻器的過(guò)載倍數(shù)、過(guò)載時(shí)間、過(guò)載周期來(lái)選型。其他關(guān)于散熱的問(wèn)題。根據(jù)具體應(yīng)用情況，在滿足實(shí)際使用要求的情況下，考慮變頻器降容來(lái)降低散熱量。另外，通過(guò)降低開關(guān)頻率，也可降低變頻器的發(fā)熱量。3結(jié)論近年來(lái)，出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻器易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn)，變頻器的應(yīng)用不僅使交流傳動(dòng)上了一個(gè)