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變頻器運(yùn)行過程中存在的問題及其對(duì)策
摘 要:本文針對(duì)變頻器運(yùn)行過程中存在的諧波問題、負(fù)載匹配問題和發(fā)熱問題，逐一進(jìn)行了分析，并提出了相對(duì)應(yīng)的解決方案。關(guān)鍵詞:變頻器 諧波 負(fù)載 發(fā)熱
Abstract: This paper analyzed the problem of harmonic wave, matching of load and
calorification for inverters in running, and made the relatively the measure.
Keywords: inverter harmonic wave loading calorification
1 前 言
自80年代通用變頻器進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來，在短短的十幾年時(shí)間里得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前，通用變頻器以其智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的青睞。隨著通用變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾方面:
① 諧波問題
② 變頻器負(fù)載匹配問題
③ 發(fā)熱問題
以上這些問題已經(jīng)引起了有關(guān)管理部門和廠礦的注意并制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。如諧波問題，我國(guó)于1984年和1993年通過了“電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定”及GB/T-14549-93標(biāo)準(zhǔn)，用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。針對(duì)上述問題，本文進(jìn)行了分析并提出了解決方案及對(duì)策。
2 諧波問題及其對(duì)策
通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成:整流部分、逆變部分和濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形。對(duì)于雙極性調(diào)制的變頻器，其輸出電壓波形展開式為:
(1)
式中:n—諧波的次數(shù)n=1,3,5……;
a1—開關(guān)角， i=1,2,3……N/2;
Ed—變頻器直流側(cè)電壓;
N—載波比。
由(1)式可見，各項(xiàng)諧波的幅值為
(2)
令n=1，則得出變頻器輸出電壓的基波幅值為:
(3)
從(1)、(2)、(3)式可以看出，通用變頻器的輸出電壓中確實(shí)含有除基波以外的其他諧波。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。
如前所述，由于通用變頻器的整流部分采用二極管不可控橋式整流電路，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，所以整流器的輸入電流實(shí)際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。為了消除諧波，可采用以下對(duì)策:
① 增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗
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功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對(duì)變頻器容量越小時(shí)，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量越��；電源容量相對(duì)變頻器容量越大時(shí)，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量越大。對(duì)于三菱FR-F540系列變頻器，當(dāng)電源內(nèi)阻為4%時(shí)，可以起到很好的諧波抑制作用。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
安裝電抗器實(shí)際上從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)安裝交流電抗器或在變頻器的直流側(cè)安裝直流電抗器，或同時(shí)安裝，抑制諧波電流。表一列出了三菱FR-A540變頻器安裝電抗器和不安裝電抗器的含量對(duì)照表。
③ 變壓器多相運(yùn)行
通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大。如果應(yīng)用變壓器的多相運(yùn)行，使相位角互差30°如Y-△、△-△組合的兩個(gè)變壓器構(gòu)成相當(dāng)于12脈波的效果則可減小低次諧波電流28%，起到了很好的諧波抑制作用。
④ 調(diào)節(jié)變頻器的載波比
從(1)、(2)、(3)式可以看出，只要載波比足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制，特別是參考波幅值與載波幅值小于1時(shí)，13次以下的奇數(shù)諧波不再出現(xiàn)。
⑤ 專用濾波器
該專用濾波器用于檢測(cè)變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流幅值相同且相位正好相反的電流，通到變頻器中，從而可以非常有效地吸收諧波電流。
3 負(fù)載匹配問題及其對(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:恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類負(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)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩均保持恒定。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載又分為摩擦類負(fù)載和位能式負(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,并且起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩都比較大，過載時(shí)間長(zhǎng)和過載能力大的變頻器。如三菱變頻器FR-A540系列。
位能式負(fù)載一般要求大的起動(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。如三菱變頻器FR-A241系列。
② 風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載
風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載是目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的設(shè)備，雖然泵和風(fēng)機(jī)的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用為主，通用變頻器在這類負(fù)載上的應(yīng)用最多。風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，轉(zhuǎn)矩T與泵的軸功率N有如下關(guān)系式:
(4)
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，所以選擇具有U/f=const控制模式的變頻器即可。如三菱變頻器FR-F540（L）系列。風(fēng)機(jī)負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于轉(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)非常重要的問題，可按下列公式進(jìn)行計(jì)算:
(5)
(6)
式中:tACC—加速時(shí)間(s);
tDEC—減速時(shí)間(s);
GD2—折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N·m2 ）;
g—重力加速度，g=9.81(m/s2
);
TM—電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(N.m);
TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N.m);
nAS—系統(tǒng)加速時(shí)的初始速度（r/min）;
nAE—系統(tǒng)加速時(shí)的終止速度（r/min）;
nDS—系統(tǒng)減速時(shí)的初始速度（r/min）;
nDE—系統(tǒng)減速時(shí)的終止速度（r/min）。
從上式可以看出，風(fēng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算是非常重要的。變頻器具體設(shè)計(jì)時(shí)，按上式計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行適當(dāng)修正，在變頻器起動(dòng)時(shí)不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時(shí)不發(fā)生過電壓跳閘的情況下，選擇最短時(shí)間。
泵類負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過程中，容易發(fā)生喘振、憋壓和水垂效應(yīng)，所以變頻器選型時(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)上述問題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定:
喘振:測(cè)量易發(fā)生喘振的頻率點(diǎn)，通過設(shè)定跳躍頻率點(diǎn)和寬度，避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。
憋壓:泵類負(fù)載在低速運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)憋壓而導(dǎo)致流量為零，從而造成泵燒壞。在變頻器功能設(shè)定時(shí)，通過限定變頻器的最低頻率，而限定了泵流量的臨界點(diǎn)處的系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速，這就避免了此類現(xiàn)象的發(fā)生。
水垂效應(yīng):泵類負(fù)載在突然斷電時(shí)，由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴(yán)或沒有逆止閥，將導(dǎo)致電機(jī)反轉(zhuǎn)，因電機(jī)發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障報(bào)警燒壞。在變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使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，這樣就避免了該現(xiàn)象的發(fā)生。
③ 恒功率負(fù)載
恒功率負(fù)載是指轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)速成反比的負(fù)載，如卷取機(jī)、開卷機(jī)等。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，通常考慮在某個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)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。我們通常將該轉(zhuǎn)速點(diǎn)稱為基頻，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓為變頻器輸出額定電壓。從理論上講，要想實(shí)現(xiàn)真正意義上的恒功率控制，變頻器的輸出頻率f和輸出電壓U必須遵循U2/f=const協(xié)調(diào)控制，但這在實(shí)際變頻器運(yùn)行過程中是不允許的，因?yàn)樵诨l以上，變頻器的輸出電壓不能隨著其輸出頻率增加，只能保持額定電壓，所以只能是一種近似意義上的恒功率控制。
4 發(fā)熱問題及其對(duì)策
變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正�？煽窟\(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱，通常采用以下方法:
① 采用風(fēng)扇散熱:變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行。
② 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。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求-10℃~-50℃，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運(yùn)行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長(zhǎng)，性能也比較穩(wěn)定。
我們采取兩種方法: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℃~+20℃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明書的要求。
以上所談到的變頻器發(fā)熱是指變頻器在額定范圍之內(nèi)正常運(yùn)行的損耗。當(dāng)變頻器發(fā)生非正常運(yùn)行（如過流，過壓，過載等）產(chǎn)生的損耗必須通過正常的選型來避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。
對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，當(dāng)我們選擇三菱變頻器FR-F540時(shí)，其過載能為120%/60秒，其過載周期為300秒，也就是說，當(dāng)變頻器相對(duì)于其額定負(fù)載的120%過載時(shí)，其持續(xù)時(shí)間為60秒，并且在300秒之內(nèi)不允許出現(xiàn)第二次過載。當(dāng)變頻器出現(xiàn)過載時(shí)，功率單元因其流過的過載電流而升溫，導(dǎo)致變頻器過熱，這時(shí)必須盡快使其降溫以使變頻器的過熱保護(hù)動(dòng)作消除，這個(gè)冷卻過程就是變頻器的過載周期。不同的變頻器，其過載倍數(shù)、過載時(shí)間和過載周期均不相同，并且其過載倍數(shù)越大，過載時(shí)間越短，請(qǐng)見表2所示:
對(duì)于變頻器所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，按其工作情況可分為兩類:長(zhǎng)期工作制和重復(fù)短時(shí)工作制。長(zhǎng)期工作制的電機(jī)可以按其名牌規(guī)定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行。針對(duì)該類負(fù)載，變頻器可根據(jù)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)進(jìn)行選型，如連續(xù)運(yùn)行的油泵，若其電機(jī)功率為22kW時(shí)，可選擇FR-F540-22k變頻器即可。重復(fù)短時(shí)工作制電機(jī)，其特點(diǎn)是重復(fù)性和短時(shí)性，即電機(jī)的工作時(shí)間和停歇時(shí)間交替進(jìn)行，而且都比較短，二者之和，按國(guó)家規(guī)定不得超過60秒。重復(fù)短時(shí)工作制電機(jī)允許其過載且有一定的溫升。此時(shí)，若根據(jù)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)來選擇變頻器，勢(shì)必造成變頻器的損壞。針對(duì)該類負(fù)載，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)載圖和變頻器的過載倍數(shù)、過載時(shí)間、過載周期來選型。如重復(fù)短時(shí)運(yùn)行的升降機(jī)，其電機(jī)功率為18.5kW，可選擇FR-A540-22k變頻器。
5 結(jié)論
本文通過對(duì)通用變頻器運(yùn)行過程中存在問題的分析，提出了解決這些問題的實(shí)際對(duì)策，隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補(bǔ)償來解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和社會(huì)環(huán)境對(duì)變頻器的要求不斷提高，滿足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器也會(huì)不久面世。
6 參考文獻(xiàn)
(1) 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000
(2) 三菱變頻調(diào)速器FR-A500使用手冊(cè).
(3) 三菱變頻調(diào)速器FR-F500使用手冊(cè).
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