變頻器運(yùn)行中存在的問(wèn)題及對(duì)策

隨著變頻技術(shù)的提高，交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用變頻調(diào)速可以提高生產(chǎn)機(jī)械的控制精度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，是交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能，而且在許多生產(chǎn)場(chǎng)合具有顯著的節(jié)能效果。
變頻器的應(yīng)用
我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%~70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過(guò)程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平房轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%~50%，效益顯著。
許多機(jī)械由于工藝需要，要求電動(dòng)機(jī)能夠調(diào)速。過(guò)去由于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速困難，調(diào)速性能要求高的場(chǎng)合都采用直流調(diào)速，而直流電冬季結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，維修困難，因此隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，交流調(diào)速正逐步取代直流調(diào)速，往往需要進(jìn)行是量和直接轉(zhuǎn)矩控制，來(lái)滿足各種工藝要求。
利用變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流小，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速，方便的進(jìn)行加減速控制，是電動(dòng)機(jī)獲得高性能，大幅度地節(jié)約電能，因而變頻器在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
存在的問(wèn)題及對(duì)策
隨著變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，主要表現(xiàn)為：高次諧波、噪聲與振動(dòng)、負(fù)載匹配、發(fā)熱等問(wèn)題。本文針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析并提出相應(yīng)措施。
諧波問(wèn)題及對(duì)策
通用變頻器的主電路形式一般由整流、逆變和濾波三部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，逆變部分為IGBT三項(xiàng)橋式逆變器，且輸入為PWM波形。輸出電壓中含有除基波以外的其它諧波，較低次諧波通常對(duì)電動(dòng)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，使電動(dòng)機(jī)出力不足，因此變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制，可以采用以下方法抑制諧波。
（1） 增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗
通常電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以器到緩沖變頻器直流濾波電容的無(wú)功功率的作用，內(nèi)阻抗越大，諧波含量越小，這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此選擇變頻器供電電源時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。
（2） 安裝電抗器
在變頻器的輸入端與輸出端串接合適的電抗器，或安裝諧波濾波器，濾波器的組成為L(zhǎng)C型，吸收諧波和增大電源或負(fù)載阻抗，達(dá)到抑制目的。
（3） 采用變壓器多項(xiàng)運(yùn)行
通用變頻器為六脈波整流器，因此產(chǎn)生的諧波較大。如果采用變壓器多相運(yùn)行，使相位角互差30°，如Y－△、△－△組合的變壓器構(gòu)成12脈波的效果，可減小低次諧波電流，很好的抑制了諧波。
（4） 設(shè)置專用諧波
設(shè)置專用濾波器用來(lái)檢測(cè)變頻器和相位，并產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流的幅值相同且相位正好相反的電流，通到變頻器中，從而可以有效的吸收諧波電流。
噪聲與振動(dòng)及其對(duì)策
采用變頻器調(diào)速，將產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，這是變頻器輸出波形中含有高次諧波分量所產(chǎn)生的影響。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的變化，基波分量、高次諧波分量都在大范圍內(nèi)變化，很可能引起與電動(dòng)機(jī)的各個(gè)部分產(chǎn)生諧振等。
（1） 噪聲問(wèn)題及對(duì)策
用變頻器傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于輸出電壓電流中含有高次諧波分量，氣隙的高次諧波磁通增加，故噪聲增大。電磁噪聲由以下特征：由于變頻器輸出中的低次諧波分量與轉(zhuǎn)子固有機(jī)械頻率諧振，則轉(zhuǎn)子固有頻率附近的噪聲增大。變頻器輸出中的高次諧波分量與鐵心機(jī)殼軸承架等諧振，在這些部件的各自固有頻率附近處的噪聲增大。
變頻器傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲特別是刺耳的噪聲與PWM控制的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，尤其在低頻區(qū)更為顯著。一般采用以下措施平抑和減小噪聲：在變頻器輸出側(cè)連接交流電抗器。如果電磁轉(zhuǎn)矩有余量，可將U / f定小些。采用特殊電動(dòng)機(jī)在較低頻的噪聲音量較嚴(yán)重時(shí)，要檢查與軸系統(tǒng)（含負(fù)載）固有頻率的諧振。
（2） 振動(dòng)問(wèn)題及對(duì)策
變頻器工作時(shí)，輸出波形中的高次諧波引起的磁場(chǎng)對(duì)許多機(jī)械部件產(chǎn)生電磁策動(dòng)力，策動(dòng)力的頻率總能與這些機(jī)械部件的固有頻率相近或重合，造成電磁原因?qū)е碌恼駝?dòng)。對(duì)振動(dòng)影響大的高次諧波主要是較低次的諧波分量，在PAM方式和方波PWM方式時(shí)有較大的影響。但采用正弦波PWM方式時(shí)，低次的諧波分量小，影響變小。
減弱或消除振動(dòng)的方法，可以在變頻器輸出側(cè)接入交流電抗器以吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。使用PAM方式或方波PWM方式變頻器時(shí)，可改用正弦波PWM方式變頻器，以減小脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。從電動(dòng)機(jī)與負(fù)載相連而成的機(jī)械系統(tǒng)，為防止振動(dòng)，必須使整個(gè)系統(tǒng)不與電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力諧波。
負(fù)載匹配及對(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)矩特性不同，因此應(yīng)用變頻器前首先要搞清電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)，即負(fù)載特性，然后再選擇變頻器和電動(dòng)機(jī)。負(fù)載有三種類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載和恒功率負(fù)載。不同的負(fù)載類型，應(yīng)選不同類型的變頻器。
（1） 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
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)選擇具有恒定轉(zhuǎn)矩特性，而且起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩都比較大，過(guò)載時(shí)間和過(guò)載能力大的變頻器，如FR-A540系列。
位能負(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FR-A241系列。
（2） 風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載
風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載是典型的平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速下負(fù)載非常小，并與轉(zhuǎn)速平方成正比，通用變頻器與標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的組合最合適。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FR-A540(L)。如果將變頻器輸出頻率提高到工頻以上時(shí)，功率急劇增加，有時(shí)超過(guò)電動(dòng)機(jī)變頻器的容量，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱或不能運(yùn)轉(zhuǎn)，故對(duì)這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不要輕易將頻率提高到工頻以上。
（3） 恒功率負(fù)載
恒功率負(fù)載指轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，但功率保持恒定的負(fù)載，如卷取機(jī)、機(jī)床等。對(duì)恒功率特性的負(fù)載配用變頻器時(shí)，應(yīng)注意的問(wèn)題：在工頻以上頻率范圍內(nèi)變頻器輸出電壓為定值控制，，所以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒功率特性，使用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)與通用變頻器的組合沒(méi)有問(wèn)題。而在工頻以下頻率范圍內(nèi)為U/f定值控制，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩又相反傾向，標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)與通用變頻器的組合難以適應(yīng)，因此要專門設(shè)計(jì)。
發(fā)熱問(wèn)題及對(duì)策
變頻器發(fā)熱是由于內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生的，以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱。主要方法有：
（1） 采用風(fēng)扇散熱：變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器箱體內(nèi)部散熱帶走。
（2） 環(huán)境溫度：變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元件機(jī)電解電容等，所以溫度對(duì)其壽命影響較大。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求－10℃~+50℃，如果能降低變頻器運(yùn)行溫度，就延長(zhǎng)了變頻器的使用壽命，性能也穩(wěn)定。