主頁 > 技術文章 > 變頻器運行過程中存在的問題及其對策 2024-10-18

變頻器運行（háng）過程中存在的問題及其（qí）對策

摘要:本文針對工業自動化中的變頻器運行過程中存在的諧波問題、負載匹配問題和發熱問題，逐（zhú）一（yī）進行了分析，並提出了相對（duì）應（yīng）的解決（jué）方案。
1、前言：
自80年代通用變頻器進入中國市場以來，在短短的十幾年時（shí）間裏得到了非常（cháng）廣泛的應用。目前，通用變頻器以其智能化、數字化、網絡化等優點越來越受到人們的青（qīng）睞。隨著通用變頻器應用範圍的擴大，暴露（lù）出來的（de）問題也（yě）越來越多，主要（yào）有以下幾方麵:
① 諧波問題
② 變頻器負載匹配問題
③ 發熱問題
以上這（zhè）些問題已經引起了有關管（guǎn）理部門和廠礦的注意並製定了相關（guān）的技術標準。如諧波問題，我國於1984年和1993年通過了“電力係統諧波管理（lǐ）暫行規定”及GB/T-14549-93標準，用以限（xiàn）製供電係統及用電設備的諧波汙染。針（zhēn）對上述問題，本文進行（háng）了分析並提（tí）出了解決（jué）方案及對策。
2、諧（xié）波問題及其對策：
通用變頻器的主電路（lù）形式一般由三部分組成（chéng）:整流部分、逆變部分（fèn）和濾波部分。整（zhěng）流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相（xiàng）橋式逆變器，且輸出為PWM波形。對（duì）於雙極性調製的變頻器，其輸出電壓波形展開式為:
(1) 、式中:n—諧波的（de）次數n=1,3,5……;
a1—開關角， i=1,2,3……N/2;
Ed—變（biàn）頻器（qì）直流（liú）側電壓;
N—載（zǎi）波比。
由(1)式可見，各項諧波的（de）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（yòng）變頻器的輸出電壓中確實含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大（dà），引起轉矩脈動（dòng），而較（jiào）高的諧波又使變頻器輸出電（diàn）纜的漏電（diàn）流增加，使電機出力不足（zú），故（gù）變（biàn）頻器輸出（chū）的高低次諧波都必須抑製。
如前所（suǒ）述（shù），由於通用變頻器（qì）的整流部分采用二極管不可控（kòng）橋式整流（liú）電路，中間濾（lǜ）波部分采用大電容作為（wéi）濾波器，所以整流器的（de）輸入電流（liú）實際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈衝波，其諧波分量（liàng）較大。為了消除諧波，可采用以下對策:
① 增加變頻器供電電源內阻抗
通常情（qíng）況（kuàng）下，電源設備的內阻抗可以起到（dào）緩衝變頻器直流濾（lǜ）波電容的無功功率的（de）作用。這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小（xiǎo）時，則內阻抗值相對越大（dà），諧波含量越小；電源容量相對變頻器容量越（yuè）大時，則內阻抗值相對越大，諧波含量越大。對於三菱FR-F540係列變頻器，當電源（yuán）內阻為4%時，可以起到很好的諧波抑製作用（yòng）。所以選擇變頻器供電電源變（biàn）壓器時（shí），最好選擇（zé）短路阻抗大的變壓器。
② 安（ān）裝電抗（kàng）器
安裝電抗器（qì）實際上從外部增加變頻器供電電源的（de）內阻抗。在變頻（pín）器的交（jiāo）流側安（ān）裝交流電抗器（qì）或在變頻器的直流側（cè）安裝直（zhí）流電抗器，或同時安裝，抑製諧波電流。表一列出了三菱（líng）FR-A540變頻器安裝電抗器（qì）和不安裝電抗器的含量對照表。
③ 變（biàn）壓器多相運行（háng）
通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所（suǒ）以產生的諧（xié）波較大。如果應用變壓器的多相運（yùn）行，使相位角互差30°如Y-△、△-△組合的兩個（gè）變壓器構成相當於12脈波的（de）效（xiào）果（guǒ）則可減小低次諧波電流28%，起到了很好的諧波抑製作用。
④ 調節變頻器的載波比
從(1)、(2)、(3)式可（kě）以看出，隻要載波比足夠大，較低次諧波（bō）就可以被有效地抑製，特別是參考波幅值與載波幅值小於1時，13次以（yǐ）下的奇數諧波不再出現。
⑤ 專用濾（lǜ）波器
該專（zhuān）用濾波器用於檢測變頻（pín）器諧波電流的（de）幅值和相位，並產生一（yī）個與（yǔ）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、負載匹配問題及其對策：”
生產機械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉矩特（tè）性是複（fù）雜的，大體分為（wéi）三種類型:恒轉矩負載、風機泵類負載和（hé）恒功率負載。針對（duì）不同的負載類型，應選擇不同類型的變頻器。
① 恒轉矩負載
恒轉矩負載是指負載轉矩與轉速無關，任（rèn）何轉速下，轉（zhuǎn）矩均保持恒定。恒轉矩（jǔ）負載又（yòu）分為摩擦（cā）類負載和位能式負載。
摩擦類負載的（de）起（qǐ）動轉（zhuǎn）矩一（yī）般（bān）要求額定轉矩的150%左右，製動轉矩一般要求額定轉矩的100%左右，所以變頻器應選擇那些具有恒定轉矩特性,並且起動和製動轉矩都比（bǐ）較大，過載時間長（zhǎng）和過（guò）載能力大的變頻器。如三菱變頻器FR-A540係列。
位能式負載一般要求大的起動轉矩和能量回饋功能，能夠快速實現正反轉，變頻器應選擇具有四象限運行能力的（de）變頻器。如三菱變頻器FR-A241係列。
② 風機泵類負載
風機泵類（lèi）負載是目前工業自動化（huà）現場（chǎng）應用最多的設備，雖然泵和（hé）風機的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風機應（yīng）用為主，通用變頻器在這類負載上的應用最多。風機泵類負載是一種平方轉矩負載（zǎi），其轉速n與流量Q，轉矩（jǔ）T與泵的軸功率N有（yǒu）如下關係式:
(4)這類負載對變頻器的性能要求不（bú）高，隻要求（qiú）經（jīng）濟性和可（kě）靠性，所以選擇具有U/f=const控製模式的變頻器即可。如三菱變頻（pín）器FR-F540（L）係列。風機負載在實際運行過程中（zhōng），由於轉動慣量比較大，所以變頻器的加速時間和減速時間是一個非常重要的問題，可按下列公式（shì）進行計算（suàn）:
(5) 、(6)、式中:tACC—加速時間(s);
tDEC—減速時間(s);
GD2—折算到（dào）電機軸上的轉（zhuǎn）動（dòng）慣量（liàng）（N·m2 ）;
g—重力（lì）加（jiā）速度，g=9.81(m/s2);
TM—電動機的電磁轉矩(N.m);
TL—負載轉矩(N.m);
nAS—係統加速時的初始速度（r/min）;
nAE—係統加速（sù）時的終止速度（r/min）;
nDS—係統減速時的初始速度（r/min）;
nDE—係統減速時的終止速（sù）度（r/min）。
從上（shàng）式可以看出，風（fēng）機負載的係（xì）統轉（zhuǎn）動慣量計算是非常重要的。變頻器具體設計時，按上式計（jì）算結果，進行適當修正，在變頻器起動時不發生過流跳閘和變頻器減（jiǎn）速時不發生過電壓跳閘的（de）情況下，選擇（zé）最（zuì）短時間。
泵類負載在實際運行過程中，容（róng）易發生喘振、憋壓和水垂效應，所以（yǐ）變頻器選型時，要選擇適於泵類負載的變頻器且變頻器在功能設定時要針對上述問題進行單獨設定（dìng）:
喘振:測量易（yì）發生喘振的頻率點，通過設定跳躍頻率點（diǎn）和寬度，避免係統發（fā）生共振現象。
憋壓:泵類負載在低速運行時，由於係統憋壓而導致流量為零，從而造成泵燒壞。在變頻器功能設定時，通過限定變頻（pín）器的最低（dī）頻率，而限定了（le）泵流量的臨界點處的係統最低轉（zhuǎn）速，這就避免了此類（lèi）現象的發生。
水垂效應:泵類負載在突然（rán）斷電時，由於泵管道中的（de）液體重力而倒流。若逆止閥不嚴或沒有逆止閥，將（jiāng）導（dǎo）致電機反轉，因電機發電而使變頻器發生故障報警（jǐng）燒壞（huài）。在變頻（pín）器係統設計時，應使變頻器按減速曲線停止，在電機完全停止後再斷開主電路電，或者設定“斷（duàn）電（diàn）減速停（tíng）止”功能，這樣就避免（miǎn）了該現象的發生（shēng）。
③ 恒功率負載
恒功率負載是指轉矩大（dà）體與轉速成反比的負載，如卷取機、開卷機（jī）等。利用變頻器驅動恒功（gōng）率負載時，應該是就一定的速度變化範（fàn）圍而（ér）言的，通常考慮（lǜ）在某個轉速點以下采用恒轉矩（jǔ）調速方式，而在高於該轉速點時才（cái）采用恒功率調速方式。我們通常將該轉速（sù）點稱為基頻，該點對應的電壓為變頻器輸出額定（dìng）電壓。從理論上講，要想實現真正意義上的（de）恒功率（lǜ）控（kòng）製，變頻器的輸出頻率（lǜ）f和輸出電（diàn）壓U必須遵循U2/f=const協調控製，但這在實際變頻器運行過程中是不允許的，因為在基頻以上，變頻器的輸出電壓不能隨著其（qí）輸出頻率增加，隻能保持（chí）額定（dìng）電壓（yā），所以隻能（néng）是一種（zhǒng）近似意義上的恒功率控製。
4、發熱問題及其對策：
變頻器（qì）的發熱是由內部的損耗產生的。在變頻器中各部分損耗中主要（yào）以主電路為主，約占（zhàn）98%，控製電路占（zhàn）2%。為了保證變（biàn）頻器正常可靠運行，必須對（duì）變頻器（qì）進行散熱，通（tōng）常（cháng）采用以下方法:
① 采（cǎi）用風扇散熱:變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風扇不能（néng）正常工（gōng）作，應立即停止變頻器運行。
② 降低安裝環境溫度:由於變頻器是電子裝置，內含電子元、電解電容等，所以溫度對其壽命（mìng）影響比（bǐ）較大。通用變頻器的環境運行溫度一般要求-10℃~-50℃，如果能夠采取措施盡可（kě）能降低變頻器運行溫（wēn）度，那麽變頻器的（de）使（shǐ）用壽命（mìng）就延長，性能也比較穩定。
我們采取兩種方（fāng）法:一種方法是（shì）建造單獨（dú）的變頻器（qì）低壓間，內部安（ān）裝（zhuāng）空調，保持低壓間（jiān）溫度在+15℃~+20℃之間。另一種方法是變頻器的（de）安裝空（kōng）間要滿足變頻器使用說明書（shū）的要求。
以上（shàng）所談到的變頻器發熱是指變（biàn）頻器在（zài）額定範圍之內正常運行的損耗。當變頻器發（fā）生非正常運行（如過流（liú），過壓，過載等（děng））產生的損耗必須通過（guò）正常的選（xuǎn）型來避免此類現象的發生。
對於風機泵類負載，當我們選擇三菱變頻器FR-F540時，其過載能為120%/60秒，其過載周期為300秒，也就是說，當變（biàn）頻器相對於其額定負載的120%過載時，其持續時間為60秒，並且在300秒之內不允許出現第二次過載。當變頻器出現過載時，功率單元因其流過的過載（zǎi）電流（liú）而（ér）升溫，導致變（biàn）頻器過熱，這時（shí）必須盡快使其降（jiàng）溫以使變頻器的（de）過熱保護動（dòng）作消除，這個冷卻（què）過程（chéng）就是變頻器的過載周期。不同的變頻（pín）器，其過載倍數、過載（zǎi）時間和過載周期均不相同，並且（qiě）其過載倍數越大，過載時間越短，請見表2所示:
對於變頻器所驅動的電（diàn）機，按其工作情況（kuàng）可分為兩類:長期工作製和重複短時工作製。長期工作（zuò）製的電（diàn）機可以按其名牌規定的數據長期運行（háng）。針對該類負載（zǎi），變（biàn）頻（pín）器可根（gēn）據電機銘牌數據進行選型，如連續運行的油泵，若其電（diàn）機功率為22kW時，可選擇FR-F540-22k變頻器即可。重複短（duǎn）時（shí）工（gōng）作製電機，其特點是重複性和短（duǎn）時性，即電機的工作時間（jiān）和停歇時間交替進行，而且都比較短，二者之和，按國家規定不得超（chāo）過60秒。重複短時工作製電機允許其過載（zǎi）且有一定（dìng）的溫升。此時，若根（gēn）據電機銘（míng）牌數據來選擇變頻（pín）器（qì），勢必造成變頻器的（de）損壞（huài）。針對（duì）該（gāi）類負載，變（biàn）頻器在參（cān）考電機銘（míng）牌數（shù）據的情況下要根據電機負載圖（tú）和變頻器的過載倍（bèi）數、過載時間、過載周期來選型。如（rú）重複短時運行的升降機，其電（diàn）機功（gōng）率為18.5kW，可選擇FR-A540-22k變頻器。
5 、結論：
本文通過對通用（yòng）變（biàn）頻器運行過程中（zhōng）存在問（wèn）題的分析，提（tí）出了解決（jué）這些問題的實際對策，隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，變頻器存在的這些問題有望通過變（biàn）頻器本身的功能和補償來解決。隨著工業自動化現場和社會環境對變頻器的要求（qiú）不斷提高，滿足實際需要的真正“綠色”變頻（pín）器也會不久麵世。

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