變頻器入門寶典(絕對實用)!

                       
變頻器工作原理1、基本概念?

(1) VVVF 改變電壓、改變頻率(Variable Voltage and Variable Frequency)的縮寫。

(2) CVCF恒電壓、恒頻率(Constant Voltage and Constant Frequency)的縮寫。

  各國使用的交流供電電源,無論是用于家庭還是用于工廠,其電壓和頻率均200V/60Hz(50Hz)或100V/60Hz(50Hz)。通常,把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產生可變的電壓和頻率,該設備首先要把三相或單相交流電變換為直流電(DC)。然后再把直流電(DC)變換為三相或單相交流電(AC),我們把實現這種轉換的裝置稱為“變頻器”(inverter)。

  變頻器也可用于家電產品。使用變頻器的家電產品中不僅有電機(例如空調等),還有熒光燈等產品。用于電機控制的變頻器,既可以改變電壓,又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調節電源供電的頻率。汽車上使用的由電池(直流電)產生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電,在該項應用中,變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。

2. 電機的旋轉速度為什么能夠自由地改變?

(1) r/min電機旋轉速度單位:每分鐘旋轉次數,也可表示為rpm。例如:4極電機 60Hz 1,800 [r/min],4極電機 50Hz 1,500 [r/min],電機的旋轉速度同頻率成比例。

  本文中所指的電機為感應式交流電機,在工業領域所使用的大部分電機均為此類型電機。感應式交流電機(以后簡稱為電機)的旋轉速度近似地取決于電機的極數和頻率。電機的極數是固定不變的。由于極數值不是一個連續的數值(為2的倍數,例如極數為2,4,6),所以不適合改變極對數來調節電機的速度。另外,頻率是電機供電電源的電信號,所以該值能夠在電機的外面調節后再供給電機,這樣電機的旋轉速度就可以被自由的控制。因此,以控制頻率為目的的變頻器,是做為電機調速設備的優選設備。

n = 60f/p,n: 同步速度,f: 電源頻率 ,p: 電機極數,改變頻率和電壓是最優的電機控制方法 。如果僅改變頻率,電機將被燒壞。特別是當頻率降低時,該問題就非常突出。為了防止電機燒毀事故的發生,變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓,例如:為了使電機的旋轉速度減半,變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz,這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。例如:為了使電機的旋轉速度減半,變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz,這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。

3、關于散熱的問題

?  如果要正確的使用變頻器, 必須認真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數的下降。環境溫度升高10度,變頻器使用壽命減半。因此,我們要重視散熱問題??!在變頻器工作時,流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產生的熱量也是非常大的,不能忽視其發熱所產生的影響。

通常,變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發熱量大概是多少,可以用以下公式估算: 發熱量的近似值= 變頻器容量(KW)×55 [W]在這里, 如果變頻器容量是以恒轉矩負載為準的(過流能力150% * 60s) 如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面, 這時發熱量會更大一些。 電抗器安裝在變頻器側面或測上方比較好。這時可以用估算: 變頻器容量(KW)×60 [W]因為各變頻器廠家的硬件都差不多, 所以上式可以針對各品牌的產品. 注意: 如果有制動電阻的話,因為制動電阻的散熱量很大, 因此最好安裝位置最好和變頻器隔離開, 如裝在柜子上面或旁邊等。那么, 怎樣采能降低控制柜內的發熱量呢? 當變頻器安裝在控制機柜中時,要考慮變頻器發熱值的問題。根據機柜內產生熱量值的增加,要適當地增加機柜的尺寸。因此,要使控制機柜的尺寸盡量減小,就必須要使機柜中產生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時,把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面,將會使變頻器有70%的發熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發熱量,所以對大容量變頻器更加有效。還可以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。這樣效果也很好。變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的,橫著放散熱會變差的! 關于冷卻風扇一般功率稍微大一點的變頻器, 都帶有冷卻風扇。同時,也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。 注意控制柜和變頻器上的風扇都是要的,不能誰替代誰。

  另外,散熱問題還要注意以下兩個問題:?

 ?。?)在海拔高于1000m的地方,因為空氣密度降低,因此應加大柜子的冷卻風量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應考慮降容,1000m每-5%。但由于實際上因為設計上變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大, 所以也要看具體應用。 比方說在1500m的地方,但是周期性負載,如電梯,就不必要降容。

 ?。?)開關頻率:變頻器的發熱主要來自于IGBT,IGBT的發熱有集中在開和關的瞬間。 因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大了。有的廠家宣稱降低開關頻率可以擴容, 就是這個道理。

4、矢量控制是怎樣使電機具有大的轉矩的?

(1) 轉矩提升:此功能增加變頻器的輸出電壓,以使電機的輸出轉矩和電壓的平方成正比的關系增加,從而改善電機的輸出轉矩。改善電機低速輸出轉矩不足的技術,使用"矢量控制",可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz(對4極電機,其轉速大約為30r/min)時的輸出轉矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉矩(最大約為額定轉矩的150%)。對于常規的V/F控制,電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加,這就導致由于勵磁不足,而使電機不能獲得足夠的旋轉力。為了補償這個不足,變頻器中需要通過提高電壓,來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做"轉矩提升"(*1)。轉矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓,電機轉矩并不能和其電流相對應的提高。 因為電機電流包含電機產生的轉矩分量和其它分量(如勵磁分量)。"矢量控制"把電機的電流值進行分配,從而確定產生轉矩的電機電流分量和其它電流分量(如勵磁分量)的數值。"矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應,進行優化補償,在不增加電流的情況下,允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。

5、變頻器制動的有關問題

(1) 制動的概念:指電能從電機側流到變頻器側(或供電電源側),這時電機的轉速高于同步轉速.負載的能量分為動能和勢能. 動能(由速度和重量確定其大?。╇S著物體的運動而累積。當動能減為零時,該事物就處在停止狀態。機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉換為摩擦和能消耗掉。對于變頻器,如果輸出頻率降低,電機轉速將跟隨頻率同樣降低。這時會產生制動過程. 由制動產生的功率將返回到變頻器側。這些功率可以用電阻發熱消耗。在用于提升類負載,在下降時, 能量(勢能)也要返回到變頻器(或電源)側,進行制動.這種操作方法被稱作"再生制動",而該方法可應用于變頻器制動。在減速期間,產生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉,而是把能量返回送到變頻器電源側的方法叫做"功率返回再生方法"。在實際中,這種應用需要"能量回饋單元"選件。

(2)怎樣提高制動能力?

為了用散熱來消耗再生功率,需要在變頻器側安裝制動電阻。為了改善制動能力,不能期望靠增加變頻器的容量來解決問題。請選用"制動電阻"、"制動單元"或"功率再生變換器"等選件來改善變頻器的制動容量

6、當電機的旋轉速度改變時,其輸出轉矩會怎樣?

(1): 工頻電源由電網提供的動力電源(商用電源)

(2): 起動電流當電機開始運轉時,變頻器的輸出電流變頻器驅動時的起動轉矩和最大轉矩要小于直接用工頻電源驅動。

  我們經常聽到下面的說法:"電機在工頻電源供電時(*1)時,電機的起動和加速沖擊很大,而當使用變頻器供電時,這些沖擊就要弱一些"。如果用大的電壓和頻率起動電機,例如使用工頻電網直接供電,就會產生一個大的起動沖擊(大的起動電流 (*2) )。而當使用變頻器時,變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的,所以電機產生的轉矩要小于工頻電網供電的轉矩值。所以變頻器驅動的電機起動電流要小些。通常,電機產生的轉矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p些減小的實際數據在有的變頻器手冊中會給出說明。通過使用磁通矢量控制的變頻器,將改善電機低速時轉矩的不足,甚至在低速區電機也可輸出足夠的轉矩。當變頻器調速到大于60Hz頻率時,電機的輸出轉矩將降低。通常的電機是按50Hz(60Hz)電壓設計制造的,其額定轉矩也是在這個電壓范圍內給出的。因此在額定頻率之下的調速稱為恒轉矩調速. (T=Te,P<=Pe) 變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時,電機產生的轉矩要以和頻率成反比的線性關系下降。當電機以大于60Hz頻率速度運行時,電機負載的大小必須要給予考慮,以防止電機輸出轉矩的不足。舉例,電機在100Hz時產生的轉矩大約要降低到50Hz時產生轉矩的1/2。因此在額定頻率之上的調速稱為恒功率調速(P=Ue*Ie)。

變頻器與電機的距離對系統的影響和預防

1.?在工業使用現場,變頻器與電機安裝的距離可以大致分為三種情況:源遠距離、中距離和近距離。20m以內為近距離,20-100m為中距離,100m以上為遠距離。 由于變頻器輸出的電壓波形不是正弦,波形中含有大量的諧波成分,其中高次諧波會使變頻器輸出電流增大,造成電機繞組發熱,產生振動和噪聲,加速絕緣老化,還可能損壞電機;同時各種頻率的諧波會向空間發射不同程序的無線電干擾,還可能導致其它設備誤動作。因此,希望把變頻器安放在被控電機的附近。但是,由于生產現場空間的限制,變頻器和電機之間往往要有一定距離。如果變頻器和電機之間為20m以內的近距離,可以直接與變頻器連接;對于變頻器和電機之間為20m到100m的中距離連接,需要調整變頻器的載波頻率來減少諧波及干擾;而對變頻器和電機之間為100m以上的遠距離連接,不但要適度降低載波頻率,還要加裝輸出交流電抗器。 2.在高度自動化的工廠里,可以在中心控制室監控所有的控制設備,變頻器系統的信號也要送到中控室,變頻器的位置若在中心控制,總控臺與變頻器之間,可以直接連接,通過0-5/10V的電壓信號和一些開關量信號進行控制。但是,變頻器的高頻開關信號的電磁輻射對弱電控制信號會產生一些干擾,因此也不一定要美觀整齊,把變頻器放在中心控制室內。如果變頻器與中心控制室距離遠一點,可以采用4-20mA的電流信號和一些開關量作控制連接;如果距離更遠,可以采用RS485串行通信方式來連接;若還要加長距離,可以利用通信中間繼電器達到1km的距離;如果采用光纖連接器,可以達到23km之遠。采用通信電纜連接,可以很方便地構成多及驅動控制系統,從而實現主/從和同步控制等要求。與目前流行的現場總線系統相連接將使數據變換速率大大提高。中心控制室與變頻器機柜之間的距離的延長,有利于縮短變頻器到電機之間的距離,以便用更加合理的布局改善系統性能。 總之安裝變頻器時,需要綜合考慮中心控制室、變頻器、電機三者之間的距離,盡量減少諧波的影響,提高控制的穩定性。

載波頻率對變頻器及電機的影響

1、載波頻率對變頻器輸出電流的影響

(1)運行頻率越高,則電壓波的占空比越大,電流高次諧波成份越小,即載波頻率越高,電流波形的平滑性越好;

(2)載波頻率越高,變頻器允許輸出的電流越??;

(3)載波頻率越高,布線電容的容抗越?。ㄒ驗閄c=1/2πfC),由高頻脈沖引起的漏電流越大。

2、載波頻率對電機的影響

????載波頻率越高,電機的振動越小,運行噪音越小,電機發熱也越少。但載波頻率越高,諧波電流的頻率也越高,電機定子的集膚效應也越嚴重,電機損耗越大,輸出功率越小。

3、載波頻率對其它設備的影響

????載波頻率越高,高頻電壓通過靜電感應,電磁感應,電磁輻射等對電子設備的干擾也越嚴重。

4、載波頻率對變頻器自身的影響

????載波頻率越大,變頻器的損耗越大,輸出功率越小。如果環境溫度高,逆變橋上下兩個兩個逆變管在交替導通過程中的死區將變小,嚴重時可導致橋臂短路而損壞變頻器。

變頻器使用注意事項

變頻器使用不當,不但不能很好地發揮其優良的功能,而且還有可能損壞變頻器及其設備,或造成干擾影響等,因此在使用中應注意以下注意事項:

????1、必須正確選擇變頻器。

????2、認真閱讀產品使用說明書,并按說明書的要求接線、安裝和使用。

????3、變頻器裝置應可靠接地,以抑制射頻干擾,防止變頻器內因漏電而引起電擊。

????4、用變頻器控制電機轉速時,電機的溫升及噪聲會比用網電(工頻)時高;在低速運轉時,因電機風葉轉速低,應注意通風冷卻或適當減低負載,以免電機溫升超過允許值。

????5、供電線路的阻抗不能太小。變頻器接入低壓電網,當配電變壓器容量超過500KVA,或配電變壓器容量大于變頻器容量10倍時,或變頻器接在離配電變壓器很近的地方時,由于回路阻抗小,投入瞬間對變頻器產生很大的涌流,會損壞變頻器的整流元件。

????當線路阻抗較優小時,應的變壓器和變頻器間加裝交流電抗器。

????6、當電網三相電壓不平衡度大于3%時,變頻器輸入電流的峰值就很大,會造成變頻器及連接線過熱或損壞電子元件,這時也需加裝交流電抗器。特別是變壓器為V形接法時更為嚴重,除在交流側加裝電抗器外,還需在直流側加裝直流電抗器。

????7、不能因為提高功率因數而在進線側裝設過大的電容器,也不能在電機與變頻器間裝設電容器,否則會使線路阻抗下降,產生過流而損壞變頻器。

????8、變頻器出線側不能并聯補償電容,也不能為了減少變頻器的輸出電壓的高次諧波而并聯電容器,否則可能損壞變頻器。為了減少諧波,可以串聯電抗器。

????9、用變頻器調速的起動和停止,不能用斷路器及接觸器直接操作,而應用變頻器的控制端子來操作,否則會造成變頻器失控,并可能造成嚴懲后果。

????10、變頻器與電機間一般不宜加裝交流接觸器,以免斷流瞬間產生過電壓而損壞變頻器。若需加裝,在變頻器運行前,輸出接觸器應先閉合;而在斷開前,變頻器應先停止輸出。

????11、對于變頻器驅動普通電機做恒轉矩運行的場合,應盡量避免長期低速運行,否則電機散熱效果變差,發熱嚴重。如果需要以低速恒轉矩長期運行,就必須選用變頻電機。

????12、對于提升負載、頻繁起停的場合,會有負轉矩產生,需適當參數的制動電阻,否則變頻器將因過電流或過電壓故障而跳閘。

????13、當電機另有制動器時,變頻器應工作于自由停機方式,且制動的動作信號應在變頻器發出停車指令后再發出。

????14、變頻器外接制動電阻的阻值不能小于變頻器允許所帶制動電阻的要求。在滿足制動要求的前提下,制動電阻宜大些。切不可將應接制動電阻的端子答非短接,否則,在制動時會通過開關管發生短路事故。

????15、變頻器與電機相連時,不允許用兆歐表測量電機的絕緣電阻,否則,兆歐表輸出的高電壓會損壞變頻器。

????16、正確處理升速與減速的問題。變頻器設定的加、減速時間過短,容易受到“電沖擊”而損壞變頻器。因此使用變頻器時,在負載設備允許的前提下,應盡量延長加、減速時間。

????(1)如果負載重,則應增加加、減速時間;反之,可適當減少加、減速時間;

????(2)如果負載設備需要短時間內加、減速,則必須考慮加大變頻器的容量,以免出現太大的電流,超過變頻器的額定電流;

????(3)如果負載設備需要很短的加、減速時間(如1s內),則應考慮在變頻器上采用剎車系統。一般較大容量的變頻器都配有剎車系統。

????17、避開負載設備的機械共振點。因為電機在一定的頻率范圍內,可能會遇到負載設備的機械共振點,產生機械諧振,影響系統的運行。為此,需對變頻器設置跳躍頻率(或回避頻率),把該頻率跳過去(回避掉)以避開共振點。

????18、電機首次使用或長時間放置后再接入變頻器使用之前,必須對電機進行絕緣電阻測量(用500V或1000V兆歐表,測量值不應小于5MΩ。如果絕緣電阻過低,會損壞變頻器。

????19、變頻器應垂直安裝,留有通風空間,并控制環境溫度不超過40℃。

????20、必須采用抗干擾措施,以免變頻器受干擾而影響其正常工作,或變頻器產生的高次諧波干擾其它電子設備的正常工作。

????21、注意電機的熱保護。如果電機與變頻器容量匹配,則變頻器內部的熱保護能有效保護電機。如果兩者容量不匹配,須調整其保護值或采取其它保護措施以保證電機的安全運行。

????變頻器電子熱保護值(電機過載檢測),可在變頻器額定電流的25%~105%范圍內設定。

變頻器容量選擇一例

變頻調速系統在異步電機確定后,通常應根據異步電機的額定參數或根據電機實際的運行參數來選擇變頻器。實踐中發現,對變頻器額定電流的選擇應給予高度的重視。選擇變頻器如果只考慮容量不考慮電流,極易造成變頻器的燒毀。因此,計算變頻器容量時必須留有適當的余地。

????通常要求變頻器的額定電流:

????I

≥(1.05~1.1)I

N

??(1)

或 ?I

≥(1.05~1.1)I

MAX

(2)

式中 I

----變頻器的額定電流

?????I

N

----電機的額定電流

?????I

MAX

----電機實際運行中的最大電流

????按容量選擇時,則變頻器容量:

????P

≥1.732×KI

N

U

N

10

-3

(KVA) ?(3)

式中 I

N

----電機額定電流

?????U

N

----電機額定電壓

?????K----安全系數,一般選?。?.05~1.1)

例如,選擇的電機的額定電壓U

N

=380V,額定電流I

N

=7.2A。

根據式(1),變頻器額定電流選?。?/p>

I

≥1.1I

N

=1.1×7.2=7.92(A)

根據式(3)變頻器容量選?。?/p>

P變≥1.732×1.05×7.2×380×10

-3

=4.98(KVA)

根據以上計算,變頻器可選取功率≥5KVA,額定電流≥8A的變頻器。

變頻器的外圍設備及選擇

一、主要電器須選好/如圖所示

Q──斷路器;

KM──接觸器;

FU──快速熔斷器;

UF──變頻器;

M──電動機

1、斷路器

主要作用如下圖所示:

用于電源電路的開閉,且在出現過流或短路事故時自動斷開電源。

主要是隔離作用??保護作用

選擇原則

QN

≥(1.31.4

N

2、輸入接觸器如圖所示:

主要作用

ü可通過按鈕開關方便地控制變頻器的通電與斷電;

ü變頻器或制動單元發生故障時,可自動切斷電源。

選擇原則

KN

N

3、輸出接觸器如圖所示:

作用:

(1)用于電動機電源在工頻電網和變頻器之間的切換;

(2)保證變頻器的輸出端不會接到工頻電網上去。

輸出接觸器的選擇:

KN

1.1I

MN

二、主電路線徑的選擇

1、電源與變頻器之間的導線

和同容量普通電動機的電線選擇方法相同。

要求:ΔU≤(%U

N

2、變頻器與電動機之間的導線,如下圖所示:

3、變頻器的功率因數

功率因數的定義

=P/S=

?

d

式中,

──功率因數;

──有功功率,kW;

──視在功率,kVA;

──位移因數,即cosφ;

d

──電流的畸變因數,等于電流基波分量的有效值與總有效值之比. 如下圖所示:

功率因數的改善:

為了改善功率因數或安裝場所距大容量電源很近時,必須加直流電抗器和交流電抗器。除改善功率因數外,還有以下作用:(1)抑制輸入中的浪涌電流;(2)削弱電源電壓不平衡所帶來的影響;

(3)可以將功率因數提高至(0.750.85)外;

(4)功率因數可提高0.9左右。電抗的選用如下圖所示:(1)?電抗器電壓降不大于額定電壓的3%。(2)?當變壓器容量大于500KVA或變壓器容量超過變頻器容量10倍以上時,應配電抗器。

交流電抗器

交-直流電抗器

4、變頻器的抗干擾

變頻器的電壓、電流波形如下圖所示:

1、外界對變頻器的干擾主要來源于電源進線。當電源系統投入其它設備(如電容器)或由于其它設備的運行(如晶閘管等換相設備)時,容易造成電源的畸變,而損壞變頻器的開關管。在變頻器的輸入電路中串入交流電抗器可有效抑制來源于進線的干擾。2、變頻器對外界的干擾(1)干擾信號的傳播方式

電路耦合方式

即通過電源網絡傳播,這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式,如下圖。

感應耦合方式

(1)電磁感應方式:這是電流干擾信號的主要傳播方式如下圖。

(2)靜電感應方式:這是電壓干擾信號的主要傳播方式如下圖。

空中幅射方式:即以電磁波的方式向空中幅射,如下圖。

(2)抗干擾措施★ 變頻器側a、感應方式傳播的干擾信號,通過正確的布線和采用屏蔽線來消弱;b、線路傳播的干擾信號,可以在線路中串入小電感來消弱;c、輻射傳播的干擾信號,通過吸收方法來消弱(無線電抗干擾濾波器);d、在變頻器輸出側和電機間串入濾波電抗器,可以不僅起到抗干擾作用,還可以消弱由于高次諧波引起的附加轉矩,改善電動機的運行特性;e、在變頻器的輸出側,絕對不允許用電容器來吸收諧波電流。★ 儀器儀表側電源隔離法:儀器電源側接入隔離變壓器信號隔離法:信號側用光電耦合器隔離

五、制動電阻請勿亂用

1、制動過程中影響泵升電壓的因素

(1)拖動系統的飛輪力矩GD2

(2)降速時間tB

2、制動電阻的選擇

(1)能耗電路的工作特點 如圖所示:

制動電阻的粗略算法

制動電阻值 

R

B

=U

D

/I

B

I

B

I

MN

T

B

T

MN

制動電阻的消耗功率

P

B0

=U

D2

/R

B

制動電阻的容量選擇

P

B

α

B

??P

B0

αB──制動電阻容量的修正系數。在一般情況下:

α

B

0.30.5

電動機容量小時取小值,大時取大值。

3、制動單元的構成與設計

(1)制動單元的功能與構成如圖所示:

(2)用交流接觸器代替功率管的要點如圖所示:

變頻器干擾的路徑及對策方法

變頻器常見故障原因及對策匯總

一、變頻器欠壓故障的原因:

1、電源缺相

原因:當變頻器電源缺相后,三相整流變成二相整流,在帶上負載后,致使整流后的DC電壓偏低,造成欠壓故障。

對策:檢查變頻器電源的空開或接觸器觸點是否接觸良好,觸點電阻是否太大,輸入電壓是否正常等。

2、變頻器內部直流回路的限流電阻或短路限流電阻的晶閘管損壞

原因:當限流電阻或短路限流電阻的晶閘管損壞時,變頻器內部的濾波電容就不能充電,造成欠壓故障。

對策:找到電阻或晶閘管損壞的原因(如電機頻繁起動,變頻器容量小和電機不匹配等),更換限流電阻或晶閘管。

3、同時工作或同時起動的變頻器過多

原因:當多臺變頻器同時起動或工作時,會造成電網電壓出現短暫的下降,當電壓下降持續時間超過變頻器允許的時間(一般變頻器都有一個允許壓降的最短時間)時,就會造成變頻器的欠壓故障。

對策:盡量減少同時起動或工作的變頻器的臺數,變頻器輸入側加裝AC電抗器,實在不行就增加供電變壓器的容量。

4、外界或變頻器之間的干擾

原因:外界的干擾或變頻器間的互相干擾可能造成變頻器檢測電子線路非正常工作,導致變頻器的誤報警。

對策:增強變頻器的抗干擾能力,詳細見《變頻器有效的抗干擾措施。

二、變頻器過電壓故障的原因:

1、對于無制動電阻及制動單元的變頻調速系統,在停機時可能出現過電壓

原因:主要原因是減速時間設定太短,造成停機時電機的轉速大于此時的轉速。

對策:增加減速時間或加裝制動電阻或制動單元。

2、對于有制動電阻及制動單元的變頻調速系統,在制動時出現過電壓

原因:制動電流設定太大或制動的時間太短,或制動加入的時間過早。

對策:減小制動電流或延長制動時間,降低加入制動時的頻率(在頻率降到更低時再加入制動)。

3、在變電所或供電線路中投入補償電容時,導致變頻器發生過電壓故障

原因:在投入補償電容時會引起電網出現尖峰電壓,導致變頻器過電壓故障。

對策:在變頻器輸入側加裝AC電抗器。

4、制動或減速時間過短

原因:當制動或減速時間過短時,電機反饋產生的大量能量會積聚在濾波電容上,從而造成變頻器過電壓。

對策:在滿足控制要求的條件事,適當增加或延長制動時間或減速時間。

5、雷電過電壓

原因:當發生雷電時,會造成電網產生高電壓,沖擊變頻器導致過電壓故障。

對策:同上,在在變頻器輸入側加裝AC電抗器,增強變頻器抗電壓變化的能力。

6、電源過電壓

原因:一般變頻器輸入電壓都允許一定程度的過電壓,但此允許的過電壓持續有一定的時間限制的,當過電壓持續一定的時間后,變頻器會過電壓報警。

對策:變頻器DC電壓上限值一般設定在電壓700V以上,相當于輸入AC電源電壓500V左右,比380V超過了30%以上,此種情況很少出現。對短時間的電源過電壓可以靠加裝AC電抗器來預防。

三、變頻器過熱故障原因:

1、周圍環境溫度過高

原因:變頻器內部是由無數個電子器件構成的,其工作時會產生大量的熱量,尤其是IGBT工作在高頻狀態下,產生的熱量會更多。如果環境溫度過高,也會導致變頻器內部元器件溫度過高,為保護變頻器內部電路,此時變頻器會報溫度高故障并停機。

對策:降低變頻器所在場所的溫度,如可以加裝空調或風扇等強制制冷措施。

2、變頻器通風不良

原因:如變頻器本身的風道堵塞或控制柜的風道被阻塞時,會影響變頻器內部的散熱,導致變頻器過熱報警。

對策:定期檢修變頻器,清除其風道的垃圾,順暢風道。

3、風扇卡阻或損壞

原因:變頻器風扇壞時,大量的熱量積聚在變頻器內部散不出去。

對策:更換風扇。

4、負載過重

原因:當變頻器所帶負載過重(小馬拉大車)時,會產生過大的電流,產生大量的熱量,有時變頻器也會過熱報警。

對策:減小負載或增加變頻器的容量。

四、變頻器過電流的原因:

1、電源電壓過高

2、變頻器輸出短路

3、V/F特性電壓提升太大

原因:如果V/F電壓提升太大,變頻器輸出頻率已經比較高了,而電機轉速還比較低(即電機轉速的變化滯后于變頻器頻率的變化),就會造成失速故障,導致變頻器過流故障。

對策:低速電壓提升要在實際中反復實驗,不要設置太大,否則會導致變頻器一起動就發生過流故障。

4、載波頻率設置太高

原因:當變頻器載波頻率設置比較高時,開關管的開關速率比較高,發熱量增加。此時,變頻器抵抗負載電流變化的能力減小,當負載電流增大時,變頻器就有可能過流跳閘。因此,當提高變頻器的載波頻率時,也應當適當降低變頻器的負荷電流。

對策:在滿足調速要求的前提下,降低變頻器的載波頻率。

5、起動加速時間太短

原因:變頻器輸出頻率的變化遠遠超過電機轉速的變化(失速),造成過電流故障。

對策:延長變頻器的加速時間。

6、負載突然增大

原因:負載突然增大時,電流也會隨之增大,當電流超過變頻器設定的過電流值時,為保護變頻器內部器件,會報“過電流”故障跳閘。

對策:分析負載突變的原因,如有可能,可以適當增大變頻器的容量。

7、傳動機構的機械慣性過大,電機的容量相對偏小

原因:當傳動機械慣性大時,電機容量又偏小,會(尤其在剛開始啟動時)出現“小馬拉大車”的現象,造成電機電流偏大,導致變頻器過流跳閘。

對策:對于大慣性負載,在保證電機和負載匹配的前提下,可適當提高變頻器低速啟動時的電壓提升,延長變頻器的加速時間等方法來防止變頻器過流故障的發生。

8、到某一特定速度時,突然發生過電流:

???(1)干擾引起過電壓、過電流

???(2)機械共振

9、變頻器與電機容量不匹配

10、變頻器內整流側或逆變側元件損壞。

原因:如斷路器和快速熔斷器都無反應,很可能是逆變管(IGBT)損壞。變頻器內部元件損壞或檢測和控制電路故障時,往往表現為變頻器一上電就“過電流”跳閘。

對策:更換元件。

11、變頻器電源側缺相、輸出斷線,電機內部故障及接地故障

對策:檢查電源及變頻器輸出線路,測量電機相間及相對地的絕緣電阻。

12、變頻器內部檢測電路故障

原因:檢測電路損壞導致變頻器顯示過電流報警,如:檢測電流的霍爾傳感器由于受溫度、濕度等環境因素的影響,工作點容易發生漂移,導致過電流報警。

對策:更換檢測元件。

五、變頻器控制電機時,電機發生機械振動的原因:

1、機械設備的堅固螺絲松動,改變了原來固有的振蕩頻率

原因:由于變頻器輸出中含有很大成份的高次諧波,當機械設備的堅固螺絲松動后,有可能引起機械設備的振動。

對策:堅固螺絲。

2、變頻器未設置“回避頻率”

原因:一般機械設備自身都有一個固定的振動頻率,為此,變頻器一般都有一個叫“回避頻率”的參數,避開此頻率。

對策:根據電機振動時變頻器的輸出頻率來設置“回避頻率”。

3、變頻器與電機間距離過遠

原因:當變頻器與電機距離較遠時,而載波頻率又較高時,電纜與大地間分布電容的影響增大,導致電機發生共振。

對策:加裝輸出電抗器,降低載波頻率。

4、無反饋矢量控制的變頻器工作頻率太低,當工作頻率低于6Hz時,會因運行不夠穩定面發生共振

5、變頻器三相輸出電壓不平衡

原因:三相電壓不平衡,使定子繞組產生的旋轉磁場變成橢圓形,引起轉矩不均衡贊成電機發生共振。

對策:變頻器三相電壓不平衡的原因有多個方面,具體見《變頻器不平衡輸出淺談》。

變頻器主線路接線圖

變頻器有效的抗干擾措施

摘要:文中主要介紹了變頻器的干擾的形成、來源、途徑,以及防止干擾的對策及其在實際應用中幾種有效的抗干擾措施。 ?

關鍵詞:變頻器 電磁干擾 抗干擾 ???

在各種工業控制系統中,隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用,系統的電磁干擾(EMI)日益嚴重,相應的抗干擾設計技術(即電磁兼容EMC)已經變得越來越重要。變頻器系統的干擾有時能直接造成系統的硬件損壞,有時雖不能損壞系統的硬件,但常使微處理器的系統程序運行失控,導致控制失靈,從而造成設備和生產事故。因此,如何提高系統的抗干擾能力和可靠性是自動化裝置研制和應用中不可忽視的重要內容,也是計算機控制技術應用和推廣的關鍵之一。談到變頻器的抗干擾問題,首先要了解干擾的來源、傳播方式,然后再針對這些干擾采取不同的措施。 ?

?一、變頻器干擾的來源

????首先是來自外部電網的干擾。電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網中存在大量諧波源如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備,非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變,從而對電網中其它設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的干擾后若不加處理,電網噪聲就會通過電網電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有(1)過壓、欠壓、瞬時掉電(2)浪涌、跌落 (3)尖峰電壓脈沖 (4)射頻干擾。

1、 晶閘管換流設備對變頻器的干擾

????當供電網絡內有容量較大的晶閘管換流設備時,由于晶閘管總是在每相半周期內的部分時間內導通,容易使網絡電壓出現凹口,波形嚴重失真。它使變頻器輸入側的整流電路有可能因出現較大的反向回復電壓而受到損害,從而導致輸入回路擊穿而燒毀。

2、 電力補償電容對變頻器的干擾

電力部門對用電單位的功率因數有一定的要求,為此,許多用戶都在變電所采用集中電容補償的方法來提高功率因數。在補償電容投入或切出的暫態過程中,網絡電壓有可能出現很高的峰值,其結果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。

????其次是變頻器自身對外部的干擾。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載,它所產生的諧波對同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術,當工作于開關模式且作高速切換時,產生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統內其它的電子、電氣設備來說是一電磁干擾源。

變頻器的輸入和輸出電流中,都含有很多高次諧波成分。除了能構成電源無功損耗的較低次諧波外,還有許多頻率很高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去,形成對變頻器本身和其它設備的干擾信號。

????(1)輸入電流的波形 變頻器的輸入側是二極管整流和電容濾波電路。顯然只有電源的線電壓UL大于電容器兩端的直流電壓UD時,整流橋中才有充電電流。因此,充電電流總是出現在電源電壓的振幅值附近,呈不連續的沖擊波形式。它具有很強的高次諧波成分。有關資料表明,輸入電流中的5次諧波和7次諧波的諧波分量是最大的,分別是50HZ基波的80%和70%。 ?

????(2)輸出電壓與電流的波形絕大多數變頻器的逆變橋都采用SPWM調制方式,其輸出電壓為占空比按正弦規律分布的系列矩形式形波;由于電動機定子繞組的電感性質,定子的電流十分接近于正弦波。但其中與載波頻率相等的諧波分量仍是較大的。

二、干擾信號的傳播方式

????變頻器能產生功率較大的諧波,由于功率較大,對系統其它設備干擾性較強,其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的,主要分傳導(即電路耦合)、電磁輻射、感應耦合。具體為:首先對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射;其次對直接驅動的電動機產生電磁噪聲,使得電機鐵耗和銅耗增加;并傳導干擾到電源,通過配電網絡傳導給系統其它設備;最后變頻器對相鄰的其它線路產生感應耦合,感應出干擾電壓或電流。同樣,系統內的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。

????(1) 電路耦合方式 即通過電源網絡傳播。由于輸入電流為非正弦波,當變頻器的容量較大時,將使網絡電壓產生畸變,影響其他設備工工作,同時輸出端產生的傳導干擾使直接驅動的電機銅損、鐵損大幅增加,影響了電機的運轉特性。顯然,這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。

????(2) 感應耦合方式 當變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設備的電路挨得很近時,變頻器的高次諧波信號將通過感應的方式耦合到其他設備中去。感應的方式又有兩種:

????a、電磁感應方式,這是電流干擾信號的主要方式;

????b、靜電感應方式,這是電壓干擾信號的主要方式。

????(3) 空中幅射方式 即以電磁波方式向空中幅射,這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

三、變頻調速系統的抗干擾對策

????根據電磁性的基本原理,形成電磁干擾(EMI)須具備三要素:電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統。為防止干擾,可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中,硬件抗干擾是應用措施系統最基本和最重要的抗干擾措施,一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾,其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的藕合通道、降低系統干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

????1、 所謂干擾的隔離,是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來,使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中,通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾,電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。

????2、 在系統線路中設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源從電動機。為減少電磁噪聲和損耗,在變頻器輸出側可設置輸出濾波器;為減少對電源干擾,可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備,可在電源線上設置電源噪聲濾波器以免傳導干擾。在變頻器的輸入和輸出電路中,除了上述較低的諧波成分外,還有許多頻率很高的諧波電流,它們將以各種方式把自己的能量傳播出去,形成對其他設備的干擾信號。濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。根據使用位置的不同,可分為:

(1) 輸入濾波器 通常又有兩種:

????a、 線路濾波器 主要由電感線圈構成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。

????b、 輻射濾波器 主要由高頻電容器構成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。

(2) 輸出濾波器 也由電感線圈構成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。非但起到抗干擾的作用,且能削弱電動機中由高次諧波諧波電流引起的附加轉矩。對于變頻器輸出端的抗干擾措施,必須注意以下方面:

????a、 頻器的輸出端不允許接入電容器,以免在逆變管導通(關斷)瞬間,產生峰值很大的充電(或放電)電流,損害逆變管;

????b、 輸出濾波器由LC電路構成時,濾波器內接入電容器的一側,必須與電動機側相接。

????3、 屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽,不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽,特別是以外部信號控制變頻器時,要求信號線盡可能短(一般為20m以內),且信號線采用雙芯屏蔽,并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離,決不能放于同一配管或線槽內,周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效,屏蔽罩必須可靠接地。

????4、正確的接地既可以使系統有效地抑制外來干擾,又能降低設備本身對外界的干擾。在實際應用系統中,由于系統電源零線(中線)、地線(保護接地、系統接地)不分、控制系統屏蔽地(控制信號屏蔽地和主電路導線屏蔽地)的混亂連接,大大降低了系統的穩定性和可靠性。

????對于變頻器,主回路端子PE(E、G)的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段,因此在實際應用中一定要非常重視。變頻器接地導線的截面積一般應不小于2.5mm2,長度控制在20m以內。建議變頻器的接地與其它動力設備接地點分開,不能共地。

????5、采用電抗器

????在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量(5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等所)所占的比重是很高的,它們除了可能干擾其他設備的正常運行之外,還因為它們消耗了大量的無功功率,使線路的功率因數大為下降。在輸入電路內串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同,主要有以下兩種:

(1) 電抗器 串聯在電源與變頻器的輸入側之間。其主要功能有:

a、 通過抑制諧波電流,將功率因數提高至(0.75-0.85);

b、 削弱輸入電路中的浪涌電流對變頻器的沖擊;

c、 削弱電源電壓不平衡的影響。

(2)直流電抗器 串聯在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一,就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數方面比交流電抗器有效,可達0.95,并具有結構簡單、體積小等優點。

????6、合理布線

????對于通過感應方式傳播的干擾信號,可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法有:

????(1)設備的電源線和信號線應量遠離變頻器的輸入、輸出線;

????(2) 其他設備的電源線和信號線應避免和變頻器的輸入、輸出線平行;

四、結論

????通過對變頻器應用過程中干擾的來源和傳播途徑的分析,提出了解決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,重視變頻器的EMC要求,已成為變頻調速傳動系統設計、應用必須面對的問題,也是變頻器應用和推廣的關鍵之一。變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。工業現場和社會環境對變頻器的要求不斷提高,滿足實際需要的真正“綠色”變頻器也會不久面世。我們相信變頻器的EMC問題一定會得到有效解決。

參考資料:

(1)變頻器應用手冊 吳忠智 吳加林編著 機械工業出版社

(2)變頻器調速應用實踐 張燕賓 著 機械工業出版社

(3)電磁兼容性原理與設計 王定華 著  電子科技大學出版社

通用變頻器選型規范

變頻器的正確選擇對于控制系統的正常運行是非常關鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅動的負載特性。人們在實踐中常將生產機械分為三種類型:恒轉矩負載、恒功率負載和風機、水泵負載。

恒轉矩負載:

負載轉矩TL與轉速n無關,任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定。例如傳送帶、攪拌機,擠壓機等摩擦類負載以及吊車、提升機等位能負載都屬于恒轉矩負載。

變頻器拖動恒轉矩性質的負載時,低速下的轉矩要足夠大,并且有足夠的過載能力。如果需要在低速下穩速運行,應該考慮標準異步電動機的散熱能力,避免電動機的溫升過高。

恒功率負載:

機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產線中的卷取機、開卷機等要求的轉矩,大體與轉速成反比,這就是所謂的恒功率負載。負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時,受機械強度的限制,TL不可能無限增大,在低速下轉變為恒轉矩性質。負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時,最大容許輸出轉矩不變,屬于恒轉矩調速;而在弱磁調速時,最大容許輸出轉矩與速度成反比,屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時,即所謂“匹配”的情況下,電動機的容量和變頻器的容量均最小。

風機、泵類負載:

在各種風機、水泵、油泵中,隨葉輪的轉動,空氣或液體在一定的速度范圍內所產生的阻力大致與速度n的2次方成正比。隨著轉速的減小,轉速按轉速的2次方減小。這種負載所需的功率與速度的3次方成正比。當所需風量、流量減小時,利用變頻器通過調速的方式來調節風量、流量,可以大幅度地節約電能。由于高速時所需功率隨轉速增長過快,與速度的三次方成正比,所以通常不應使風機、泵類負載超工頻運行。

西門子公司可以提供不同類型的變頻器,用戶可以根據自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。在選擇變頻器時因注意以下幾點注意事項:

1.根據負載特性選擇變頻器,如負載為恒轉矩負載需選擇siemens?MMV/MDV?變頻器,如負載為風機、泵類負載應選擇siemens?ECO變頻器。

2.選擇變頻器時應以實際電機電流值作為變頻器選擇的依據,電機的額定功率只能作為參考。另外應充分考慮變頻器的輸出含有高次諧波,會造成電動機的功率因數和效率都會變壞。因此,用變頻器給電動機供電與用工頻電網供電相比較,電動機的電流增加10%而溫升增加20%左右。所以在選擇電動機和變頻器時,應考慮到這中情況,適當留有裕量,以防止溫升過高,影響電動機的使用壽命。

3.變頻器若要長電纜運行時,此時應該采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響,避免變頻器出力不夠。所以變頻器應放大一檔選擇或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

4.當變頻器用于控制并聯的幾臺電機時,一定要考慮變頻器到電動機的電纜的長度總和在變頻器的容許范圍內。如果超過規定值,要放大一檔或兩檔來選擇變頻器。另外在此種情況下,變頻器的控制方式只能為V/F控制方式,并且變頻器無法保護電動機的過流、過載保護,此時需在每臺電動機上加熔斷器來實現保護。

5對于一些特殊的應用場合,如高環境溫度、高開關頻率、高海拔高度等,此時會引起變頻器的降容,變頻器需放大一檔選擇。

6使用變頻器控制高速電機時,由于高速電動機的電抗小,高次諧波亦增加輸出電流值。因此,選擇用于高速電動機的變頻器時,應比普通電動機的變頻器稍大一些。

7變頻器用于變極電動機時,應充分注意選擇變頻器的容量,使其最大額定電流在變頻器的額定輸出電流以下。另外,在運行中進行極數轉換時,應先停止電動機工作,否則會造成電動機空轉,惡劣時會造成變頻器損壞。

8驅動防爆電動機時,變頻器沒有防爆構造,應將變頻器設置在危險場所之外。

9使用變頻器驅動齒輪減速電動機時,使用范圍受到齒輪轉動部分潤滑方式的制約。潤滑油潤滑時,在低速范圍內沒有限制;在超過額定轉速以上的高速范圍內,有可能發生潤滑油用光的危險。因此,不要超過最高轉速容許值。

10.變頻器驅動繞線轉子異步電動機時,大多是利用已有的電動機。

繞線電動機與普通的鼠籠電動機相比,繞線電動機繞組的阻抗小。因此,容易發生由于紋波電流而引起的過電流跳閘現象,所以應選擇比通常容量稍大的變頻器。一般繞線電動機多用于飛輪力矩GD2較大的場合,在設定加減速時間時應多注意。

11.變頻器驅動同步電動機時,與工頻電源相比,降低輸出容量10%~20%,變頻器的連續輸出電流要大于同步電動機額定電流與同步牽入電流的標幺值的乘積。

12.對于壓縮機、振動機等轉矩波動大的負載和油壓泵等有峰值負載情況下,如果按照電動機的額定電流或功率值選擇變頻器的話,有可能發生因峰值電流使過電流保護動作現象。因此,應了解工頻運行情況,選擇比其最大電流更大的額定輸出電流的變頻器。變頻器驅動潛水泵電動機時,因為潛水泵電動機的額定電流比通常電動機的額定電流大,所以選擇變頻器時,其額定電流要大于潛水泵電動機的額定電流。

13.當變頻器控制羅茨風機時,由于其起動電流很大,所以選擇變頻器時一定要注意變頻器的容量是否足夠大。

14.選擇變頻器時,一定要注意其防護等級是否與現場的情況相匹配。否則現場的灰塵、水汽會影響變頻器的長久運行。

15.單相電動機不適用變頻器驅動。