探究变频器应用

探究变频器应用

张罗超

张罗超

上海宝信软件股份有限公司湛江分公司

摘要：在各类交流电机调速技术中，变频调速技术具有调速平滑、易于控制、电机启动电流小、节能等优势。但一直以来，变频器的价格居高不下，从而制约了在工业控制中的大量应用。对于大多数工作于一线的电气专业人员而言，变频器的实际应用相比于各类传统设备是有些陌生的。近些年来，随着科学技术的不断发展，变频器的制造成本得到了大幅下调，从而使之在工业控制中被大量采用成为了现实。

关键词：变频器；优缺；外接线路；设备

一、变频器的优缺点

优点：（1）调速效率高属于高效调速方式，这是由于频率变化后电动机仍在同步转速附近运行，基本上保持额定转差。（2）调速范围宽，一般可达20：1，并在整个调速范围内均具有高的调速效率，所以变频调速适用于调速范围宽，且经常处于低负荷状态下运行的场合。（3）机械特性较好。在无自动控制时，转速波动率控制在0.5%――1%。（4）变频装置万一发生故障，可以退出运行，改由电网直接供电、泵与风机仍可继续保持运转。（5）能兼做启动设备。即通过变频电源将电动机启动到某一转速，再断开变频电源，电动机可直接接到工频电源使泵或风机加速到全速。

缺点：（1）从目前看变频器的初投资较高，是应用于泵或风机调速节能中的主要障碍。（2）因为变频器输出的电流或电压的波形为非正弦而产生的高次谐波，对电动机及电源会产生种种不良影响，但若采用PWM型变频器或采用多重化技术的电流型变频器，则这个问题可以得到大大的改善。（3）电机声音较市电时尖锐，由于变频器输出电压是由无数脉冲组成，存在着高次谐波，故电机运行转速不同时会发生不同响度且尖锐的声音，此噪声对人体有害并影响病人的休息。

二、变频器的外接线路

我们可以把变频器外接线路分为4部分：电源电缆、电机电缆、控制电缆线、接地线。这些外接线路因所流过的电流的特殊性，所产生的电气特征大大异于普通设备线路。不合理的电缆类型及安装方式常会导致一些异外事故发生，笔者就曾见过因电磁干扰导致小型继电器异常动作而造成的事故。所以，变频器的外接线路绝对应该是一个需要认真对待的问题。下面，把这几部分外接线路的选型及安装做个简单的介绍。

2.1电源电缆

为变频器提供输入电源，又名功率电缆。电源电缆输送的电流为工频电流，对电缆的选型上无特殊要求，选用无屏蔽层的四芯电缆(三相线加接地线)或四芯绝缘电线穿管敷设皆可。

2.2电机电缆

变频器输出端与电机之间的连接电缆，因为变频器输出的是PWM(脉宽调制)波，包含了大量的高次谐波，在运行中，电机电缆会产生一些有害的电学特性，针对这特性，我们在设备及电缆的选型、安装时必须采取一定的对策。

在通电后，电机电缆内会产生一个分布式电容，并由此造成输入电源与大地之间的泄漏电流，该电流过大时，可导致变频器的永久性损坏。所产生的分布式电容的强弱与电机电缆的长度有着直接的关系，一般情况下，当电缆长度超过50m或穿金属管敷设电缆长度超过30m时，就应该采用交流电抗器来减小分布式电容的强度。

运行中，电机电缆还会产生较强的电磁辐射，形成对其它电气设备的严重电磁扰动，轻者使系统无法正常工作，重者导致严重事故。所以，电机电缆的选用及安装绝不应该被我们所忽略。常用对策如下：

(1)使用普通电缆穿金属线管安装，利用金属线管对电磁辐射进行屏蔽，从而减小其危害性。安装时，线管每端都需要安装一个带有接地导体的桥接，使用单独的管路铺设，并与电源电缆、控制电缆分开走线，每个变频器应使用一个单独的导线管管路。

(2)使用三相加三接地的连续波纹状铝质铠装电缆，可与电源电缆共用一个桥架，但应该与控制电缆分开。

(3)使用特殊电缆，对称的带同轴屏蔽层的三相或三加一电缆、带对称结构PE导体的六芯电缆，都可有效的减少电机电缆的电磁辐射。

(4)不允许使用无屏蔽层的普通三相电缆或三加一电缆。

2.3接地线路

在变频系统中，接地连接的作用除了确保人员安全(保护接地)，还可有效的减少电磁辐射(工作接地)，是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。不合理的接地，不仅会造成人员或设备损伤，所产生的电磁辐射也会对所邻近的电气系统和本身造成干扰，所以，正确的接地连接是极重要的。可以把变频器的接地分为：电源接地、信号接地、模拟接地(屏蔽接地)。

(1)系统接地。是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段。需要指出的是，变频器的系统接地应该是独立于电气系统接地的，并且之间应该的有一定距离。否则，所产生的干扰会影响到其它系统。多台变频器邻近安装时，不允许将其接地端子串联安装。可将各变频器系统在柜内分别接地，然后汇于接地汇流排，再将各汇流排联接到一个公共的接地体上。禁止与避雷接地共用。

(2)屏蔽接地。控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，地线的长度要尽量短。对于抗干扰要求较高的场合，可采用双重静电屏蔽的电缆，外屏蔽层接至屏蔽地线，内屏蔽层接至系统地线。

(3)信号接地。在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部传感设备和变频器的可靠独立接地。

2.4控制电缆

因为变频器本身所具有的强电磁干扰特性，其外接控制线路为避免受到自身的电磁干扰，也必须具有较强的抗干扰能力。为减少电磁扰动，可采用以下方法。

(1)大于48V继电器控制线最好使用双绞线，小于48V时可采用数字输入信号采用的电缆。实践证明，使用230V动作电压的小型继电器相比于其它低电压动作的继电器而言，可有效的抗击因电磁扰动而导致的误动作。

(2)尽可能远离电源电缆和电机电缆(距离不小于20cm)。

(3)同一根电缆不能既走模拟信号又走数字信号。

(4)必须通过动力电缆的地方，尽可能成90度角交叉。

(5)位于变频器边缘至少20cm。

(6)同一根电缆不能既走24VDC又走115／230VAC信号。

(7)对于模拟信号，建议使用双绞双屏蔽电缆，建议每个信号使用一对单独的双绞线，不同模拟信号不使用公共返回线。

(8)推荐使用多芯，带辫状铜屏蔽层电缆，变频器端将屏蔽层拧成一束连联到接地端子，另一端不接地。

(9)受PLC等上位机控制需要走通讯信号时，需使用变频器厂家配套的通讯协议网络专用电缆和专用插头，如西门子DP网专用电缆，Profinet专用网线，确保通讯稳定。

三、其它配套设备

3.1断路器

用于在电流故障时自动切断电源，一台断路器后面可以接一台或多台变频器及其它负载。

3.2接触器

用于日常操作通断和防止电网掉电再来电时变频器的自启动，在某些工艺要求较高的场所，接触器可作为紧急开关，来可靠的切断电源，防止事故扩大。需要注意的是接触器在系统中位于变频器的上部或下部是有区别的。安装于上部时，可以将变频器的事故输出信号串接于接触器线圈线路中，变频器故障产生后，可导致接触器断开，从而切断变频器的电源，有效的防止事故扩大。

安装于下部时，可以给日常维护提供某些方便。但变频器运行过程中，假设在较高频率时接触器因故被断开，而操作工又未能将变频器恢复于停止状态。再次对接触器进行重合闸时，因为变频器的输出频率还处于一个较高的状态，则导致电机被高频率电流直接起动，这将产生一个很高的起动电流，从而对变频器产生冲击，造成永久性损坏。在应用中，如果因为某些原因需要将接触器安装于下部时，应由接触器的辅助触点来作为变频器的紧急停止输入信号，在接触器因故断开时，可以自动将变频器可靠的处于停止状态。

3.3进线侧无线电干扰抑制电抗器

用于减少变频器对外界的无线电干扰，也防止电网上各种干扰和瞬变浪涌干扰到变频器的控制回路敏感部分而发生误动作。

3.4进线侧交流电抗器

用于改善输入电流波形、提高变频器寿命，变频器功率大于45kW时建议采用本设备。

3.5直流电抗器

用于改善电容滤波造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成变频器损坏，变频器功率大于22kW时建议采用本设备。

3.6制动单元与制动电阻

当负荷的惯性较大时，变频器所拖动的电机实际上是处于发电运行状态，电机反馈能量可使变频器直流母线产生一个极高的电压，从而造成变频器的永久损坏。制动单元的作用正是为了防止这种损坏发生，它把电机的反馈能量转移到所配套的制动电阻上，由制动电阻将之转化为热量消耗掉。变频器与制动单元的连接电缆线应该尽可能的短，最好能在2m以内，最大不能超过5m，必须超过5m时，则应该采用双绞线，但极限长度不允许超过10m。因为流过的是直流电流，所选线路的线径应该参考该电缆线的直流截流量选择。在电机反馈能量被消耗过程中，制动电阻会产生较高的温度(100℃左右)，所以在安装过程中，应特别注意使之处于安全位置。同时，因为其产生的高温，选用制动单元与制动电阻的联接线时，最好能选择耐高温线缆，其长度也应该在10m以内。负荷惯性较大的场合，应该选用本设备。

3.7输出侧交流电抗器

其作用是改善变频器输出电流波形，使之更接近于正弦交流电压波形。变频器的输出是经PWM调制的电压波，PWM有着陡峭的电压上升和下降的前后沿，使得输出引线向外界发射含量极大的电磁干扰，并可对电机绕组造成冲击。为了减轻其对外界的干扰，降低输出波形畸变，达到环保标准，减少对电机绕组的电压冲击造成绝缘损坏，降低电机的温升和噪声，避免在变频器损坏，以及降低负载短路造成对变频器的损伤，应该在变频器输出端增设交流电抗器。

需要指出的是脉冲电压通过长的输电线时，由于长线上波的反射叠加使得在长线(电机电缆)超过临界长度后，电压有可能达到变频器内直流母线电压的2倍。因此变频器输出线长度受到了限制，为解除这种限制，必须接入输出侧交流电抗器。

3.8输出侧无线电干扰抑制电抗器

本文已多次提到变频器的输出电缆具有较强的电磁辐射干扰能力，为力求将这种不利于系统正常运行的因素降到最低，可使用特殊的电机电缆或采用本设备。电机电线长度大于20m时建议安装输出侧无线电干扰抑制电抗器。

3.9电机

普通电机在使用变频器时，因变频器所输出的PWM波有很高的脉冲前后沿，dv／dt很大，绕阻匝间和对地绝缘很易损坏。因此，应选用绝缘质量优良的电机产品或专业的变频电机。

结束语：

对变频设备的研究是当前电气传动研究中最活跃、最有实际应用价值的工作。变频器产业的潜力非常巨大，它在空调、电梯、冶金、机械等行业得以广泛应用，本人参与调试使用西门子S120高性能矢量变频器，rockwell自动化powerflex755变频器集成自动化传动项目，在湛江钢铁冷轧厂广泛应用，特别对速度精度高和大转矩的冷轧生产线，取得较好的效果。变频调速电机和与之配套的变频器将发展迅速。

参考文献:

[1]王廷才，王伟.变频器原理及应用2016

[2]张国民，中国变频器网2017