變頻器的選用及故障干擾處理

1 變頻器的合理選用


   選用變頻器的類型，按照生產機械的類型、調速范圍、靜態速度精度、起動轉矩的要求，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，又要經濟，以滿足工藝和生產的基本條件和要求。


   1.1需要控制的電機及變頻器自身

   (1)電機的極數。一般電機極數以不多于４極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。

   (2)轉矩特性、臨界轉矩、加速轉矩。在同等電機功率情況下，相對于高過載轉矩模式，變頻器規格可以降額選取。

   (3)電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時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。一般當電機與變頻器距離超過50ｍ時，應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。


   表１為不同類型變頻器的主要性能、應用場合；表２為常見輸送設備的負載特性和負載轉矩特性，可供變頻器選型時參考。

   1.2變頻器功率的選用

   變頻器負載率ｂ與效率ｈ的關系曲線見圖１。

圖１ 變頻器負載率ｂ與效率ｈ的關系曲線


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


   (1)變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。



表１



表２


   (2)在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。

   (3)當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。

   (4)經測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。

   (5)當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果。


   1.3變頻器箱體結構的選用

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

   (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型適用工業現場條件較差的環境；

   (4)密閉型ＩＰ６５型適用環境條件差，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能降耗措施。根據現有資料和經驗，比較簡便的方法有三種： 

   (1)電機實際功率確定發。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。 

   (2)公式法。設安全系數取1.05，則變頻器的容量Pb為：Pb＝1.05Pm／ｈｍ×cosy(kW)，式中，Pm為電機負載；hm為電機功率。計算出Pb后，按變頻器產品目錄選具體規格。 


   當一臺變頻器用于多臺電機時，應滿足：至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。


   (3)電機額定電流法變頻器。變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實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。對于輕負載類，變頻器電流一般應按1.1IN（IN為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇。


   1.5主電源 

   (1)電源電壓及波動。應特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應（出廠時一般設定為0.8～0.9UN），因為在實際使用中，電網電壓偏低的可能性較大。

   (2)主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統的熱損耗，導致噪聲增加，輸出降低。

   (3)變頻器和電機在工作時，自身的功率消耗。在進行系統主電源供電設計時，兩者的功率消耗因素都應考慮進去。


   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（進行開關動作），變頻器本身就是諧波干擾源，所以對電源側和輸出側的設備會產生影響。與主回路相比，變頻器的控制回路卻是小能量、弱信號回路，極易遭受其它裝置產生的干擾。因此，變頻器在安裝使用時，必須對控制回路采取抗干擾措施。


   2.1變頻器的基本控制回路

   同外部進行信號交流的基本回路有模擬與數字兩種：①４～２０ｍＡ電流信號回路（模擬）；１～５Ｖ／０～５Ｖ電壓信號回路（模擬）。②開關信號回路，變頻器的開停指令、正反轉指令等（數字）。


   外部控制指令信號通過上述基本回路導入變頻器，同時干擾源也在其回路上產生干擾電勢，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，在電纜中產生的電勢。
措施：加大與干擾源電纜的距離，達到導體直徑４０倍以上時，干擾程度就不大明顯。在兩電纜間設置屏蔽導體，再將屏蔽導體接地。


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

   措施：一般將控制電纜與主回路電纜或其它動力電纜分離鋪設，分離距離通常在３０ｃｍ以上（最低為１０ｃｍ），分離困難時，將控制電纜穿過鐵管鋪設。將控制導體絞合，絞合間距越小，鋪設的路線越短，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生電勢。

   措施：同（１）和（２）所述。必要時將變頻器放入鐵箱內進行電波屏蔽，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及繼電器觸電接觸不良，電阻發生變化產生的干擾。

   措施：對繼電器觸點接觸不良，采用并聯觸點或鍍金觸點繼電器或選用密封式繼電器。對電纜連接點應定期做擰緊加固處理。


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


   (6)接地干擾：指機體接地和信號接地。對于弱電壓電流回路及任何不合理的接地均可誘發的各種意想不到的干擾，比如設置兩個以上接地點，接地處會產生電位差，產生干擾。
措施：速度給定的控制電纜取１點接地，接地線不作為信號的通路使用。電纜的接地在變頻器側進行，使用專設的接地端子，不與其它接地端子共用。并盡量減少接地端子引接點的電阻，一般不大于100Ω。


   2.3其它注意事項

   (1)裝有變頻器的控制柜，應盡量遠離大容量變壓器和電動機。其控制電纜線路也應避開這些漏磁通大的設備。

   (2)弱電壓電流控制電纜不要接近易產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到電纜導體同樣長。電纜在端子箱中連接時，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防措施

   (1)安裝環境

   <1>對于振動沖擊較大的場合，應采用橡膠等避振措施。

   <2>應對控制板進行防腐防塵處理，并盡量采用封閉式結構。

   <3>應根據裝置要求的環境條件安裝空調或避免日光直射。

   除上述３點外，定期檢查變頻器的空氣濾請器及冷卻風扇也是非常必要的。


   對于特殊的高寒場合，為防止微處理器因溫度過低而不能正常工作，應采取設置空間加熱器等必要措施。


   (2)電源異常

   電源異常表現為各種形式，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電動機和電磁爐等設備，為　防止這些設備投入時造成的電壓降低，硬是變頻器供電系統分離，減小相互影響。

   <2>對于要求瞬時停電后仍能繼續運行的場合，除選擇合適規格的變頻器外，還因預先考慮負載電機的降速比例。變頻器和外部控制回路采用瞬停補償方式，當電壓回復后，通過速度追蹤和測速電機的檢測來防止在加速中的過電流。

   <3>對于要求必須量需運行的設備，要對變頻器加裝自動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，雖然在缺相狀態也能繼續工作，但整流器中個別器件電流過大及電容器的脈沖電流過大，若長期運行將對變頻器的壽命及可靠性造成不良影響，應及早檢查處理。


   3.2 變頻器本身的故障自診斷及預防功能


    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“全領域自動轉矩補償功能”，其中“起動轉矩不足”，“環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部的微型計算機的高速運算，計算出當前時刻所需要的轉矩，迅速對輸出電壓進行修正和補償，以抵消因外部條件變化而造成的變頻器輸出轉矩變化。


   此外，由于變頻器的軟件開發更加完善，可以預先在變頻器的內部設置各種故障防止措施，并使故障化解后仍能保持繼續運行，例如：

   ①對自由停車過程中的電機進行再起動；

   ②對內部故障自動復位并保持連續運行；

   ③負載轉矩過大時能自動調整運行曲線，避免Ｔｒｉｐ；

   ④能夠對機械系統的異常轉矩進行檢測。


   3.3 變頻器對周邊設備的影響及故障防范

   變頻器的安裝使用也將對其他設備產生影響。

   (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，這樣的脈沖調制形式使得變頻器運行時在電源側產生高次諧波電流，并造成電壓波形畸變，對電源系統產生嚴重影響，通常采用以下處理措施。

   <1>采用專用變壓器對變頻器供電，與其它供電系統分離。

   <2>在變頻器輸入側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 輸入側接線圖



   對于有進相電容器的場合因高次諧波電流將電容電流增加造成發熱嚴重，必須在電容前串接電抗器，以減小諧波分量。如圖４所示，對電抗器的電感應合理分析計算，避免形成ＬＣ振蕩。 


圖４ 串接電抗器示意圖



   對于現有電機進行變頻調速改造時，由于自冷電機在低速運行時冷卻能力下降造成電機過熱。此外，因為變頻器輸出波形中所含有的高次諧波勢必增加電機的鐵損和銅損，因此在確認電機的負載狀態和運行范圍之后，采取以下的相應措施：

   ①對電機進行強冷通風或提高電機規格等級。

   ②更換變頻專用電機。

   ③限定運行范圍，避開低速區。


   (2)高頻開關形成的尖峰電壓對電機絕緣不利

   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機繞組的絕緣強度降低，尤其以ＰＷＭ控制型變頻器更為明顯，應采取以下措施。

   <1>盡量縮短變頻器到電機的配線距離。

   <2>采用阻斷二極管的浪涌電壓吸收裝置，對變頻器輸出電壓進行處理。

   <3>對ＰＷＭ型變頻器應盡量在電機輸入側加裝圖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，容易造成電機絕緣損傷。



圖５ 濾波器