1.前言
由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，伴隨著新的控制理論的提出與完善，使交流調(diào)速傳動(dòng)，尤其是性能優(yōu)異的變頻調(diào)速傳動(dòng)得到飛速的發(fā)展。近年來，變頻器的售價(jià)不斷下降，而其使用功能卻不斷提升和擴(kuò)大，它現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從一些數(shù)百瓦級的家用器械直到一些數(shù)千千瓦級的大型工業(yè)傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)。交流變頻調(diào)速已從最初的只能用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速過渡到應(yīng)用于各類要求高精度、快響應(yīng)的高性能調(diào)速指標(biāo)的工業(yè)現(xiàn)場。變頻器的大量推廣使用，在節(jié)能、省力化、自動(dòng)化及提高生產(chǎn)率、提高質(zhì)量、減少維修和提高舒適性等多方面都取得了令世人矚目的應(yīng)用效果。但是，變頻器畢竟是近二十年來新出現(xiàn)的一種蘊(yùn)涵多種高新技術(shù)的電力電子產(chǎn)品，要想讓它發(fā)揮很好的應(yīng)用效果，就必須對它的選型和配置做深入的研究。
2.變頻器的選型
變頻器的正確選用對于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求，然后決定選用何種控制方式和防護(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下，實(shí)現(xiàn)變頻器應(yīng)用的最佳性價(jià)比。
2.1機(jī)械設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性
人們在實(shí)踐中常將生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的不同，分為三大類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和流體類負(fù)載。
2.1.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
在這類負(fù)載中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)和機(jī)械設(shè)備的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等摩擦類負(fù)載以及起重機(jī)、提升機(jī)、電梯等重力負(fù)載，都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
變頻器拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時(shí)，低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時(shí)穩(wěn)速運(yùn)行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力，避免電動(dòng)機(jī)溫升過高。
2.1.2恒功率負(fù)載
這類負(fù)載的特點(diǎn)是需求轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機(jī)床的主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等，都屬于恒功率負(fù)載。
負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對傳動(dòng)方案的選擇有很大的影響。電動(dòng)機(jī)在恒磁通調(diào)速時(shí)，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時(shí)，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時(shí)，即所謂“匹配”的情況下，電動(dòng)機(jī)的容量和變頻器的容量均最小。
2.1.3流體類負(fù)載
這類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。各種風(fēng)機(jī)、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負(fù)載。
流體類負(fù)載通過變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類負(fù)載在高速時(shí)的需求功率增長過快，與負(fù)載轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以不應(yīng)使這類負(fù)載超工頻運(yùn)行。
2.2根據(jù)負(fù)載特性選取適當(dāng)控制方式的變頻器
現(xiàn)在市場上出售的變頻器種類繁多，功能也日益強(qiáng)大，變頻器的性能也越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。下表綜述了近年來各種變頻器控制方式的性能特點(diǎn)。
綜上所述，異步電動(dòng)機(jī)變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點(diǎn)的調(diào)速特性。
2.3根據(jù)安裝環(huán)境選取變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)
變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)要與其安裝環(huán)境相適應(yīng)，這就要考慮環(huán)境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素，這與變頻器能否長期、安全、可靠運(yùn)行關(guān)系重大。大多數(shù)變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護(hù)結(jié)構(gòu)供用戶選用：
（1）開放型IP00，它從正面保護(hù)人體不能觸摸到變頻器內(nèi)部的帶電部分，適用于安裝在電控柜內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上，尤其是多臺(tái)變頻器集中使用較好，但它對安裝環(huán)境要求較高。
（2）封閉型IP20、IP21，這種防護(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器四周都有外罩，可在建筑物內(nèi)的墻上壁掛式安裝，它適用于大多數(shù)的室內(nèi)安裝環(huán)境。
（3）密封型IP40、IP42，它適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件較差的場合。
（4）密閉型IP54、IP55，它具有防塵、防水的防護(hù)結(jié)構(gòu)，適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件差，有水淋、粉塵及一定腐蝕性氣體的場合。
關(guān)于變頻器容量的計(jì)算，可參閱參考文獻(xiàn)1，限于篇幅，此不贅述。
3.變頻器的外圍配置要點(diǎn)
3.1把變頻器連接在大容量電源變壓器（500KVA以上）電網(wǎng)中，或者在同一電源變壓器上連接有晶閘管變流器而未使用換流電抗器，或者同一電網(wǎng)上有功率改善用切換電容器組時(shí)，應(yīng)配置AC電抗器或DC電抗器，它們也有改善變頻器電源側(cè)功率因數(shù)和降低輸入高次諧波電流的效果。
3.2變頻器與供電電源之間應(yīng)裝設(shè)帶有短路及過載保護(hù)的低壓斷路器、交流接觸器，以免變頻器發(fā)生故障時(shí)事故擴(kuò)大。電控系統(tǒng)的急停控制應(yīng)使變頻器電源側(cè)的交流接觸器開斷，徹底切斷變頻器的電源供給，保證設(shè)備及人身安全。
3.3變頻器輸入端R、S、T與輸出端U、V、W不能接錯(cuò)。變頻器的輸入端R、S、T是與三相整流橋輸入端相連接，而輸出端U、V、W是與三相異步電動(dòng)機(jī)相連接的晶體管逆變電路。若兩者接錯(cuò)，輕則不能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，電機(jī)也不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，重則燒毀變頻器。
3.4在起動(dòng)、停止頻繁的場合，不要用主電路電源的通、斷來控制變頻器的起動(dòng)、停止，應(yīng)使用變頻器控制面板上的RUN/STOP鍵或SF/SR控制端子。因?yàn)樽冾l器啟動(dòng)時(shí)，首先要給直流回路的大容量電解電容充電，如果頻繁啟動(dòng)變頻器勢必造成電容充電用限流電阻發(fā)熱嚴(yán)重，同時(shí)也縮短了大容量電解電容的使用壽命。
3.5變頻器的端子“N”為中間直流回路的低電平端，嚴(yán)禁與三相四線制供電線路中的零線或大地相接,否則會(huì)造成三相整流橋因電源短路而損壞變頻器。
3.6變頻器的輸出側(cè)一般不能安裝電磁接觸器，若必須安裝，則一定要注意滿足以下條件：變頻器若正在運(yùn)行中，嚴(yán)禁切換輸出側(cè)的電磁接觸器；要切換接觸器必須等到變頻器停止輸出后才可以。因?yàn)椋绻谧冾l器正常輸出時(shí)切換輸出側(cè)的接觸器，將會(huì)在接觸器觸點(diǎn)斷開的瞬間產(chǎn)生很高的過電壓而極易損壞變頻器中的電力電子器件。因此，要切換變頻器輸出側(cè)的接觸器，一定要等到所控制的電動(dòng)機(jī)完全停止以后。
3.7遇有內(nèi)裝制動(dòng)單元而需外加制動(dòng)電阻的變頻器，一定要注意制動(dòng)電阻的正確接線。制動(dòng)電阻要接在P與DB之間，不能接在P、N之間，否則會(huì)造成變頻器的逆變器在未運(yùn)行時(shí)三相整流橋就滿載工作，造成變頻器無法正常工作，制動(dòng)電阻也有燒毀的可能。
3.8變頻調(diào)速的多速電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行中不能改變極對數(shù)。如果在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍而必須選用多速電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于多速電動(dòng)機(jī)是用改變定子繞組接線方法，改變極對數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。如果在變頻器運(yùn)行中改變電動(dòng)機(jī)的繞組接線，就會(huì)引起很大的沖擊電流，造成變頻器過載跳閘，甚至燒毀的嚴(yán)重事故。所以，要安全切換多速電動(dòng)機(jī)的繞組，必須要等到變頻器停止輸出后才能進(jìn)行。
3.9機(jī)械制動(dòng)器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的正確使用。在脈寬調(diào)制（PWM）的變頻器中，其輸出頻率與輸出電壓之比為一常數(shù)，即f/V=C。在輸出頻率低時(shí)，其輸出電壓也低，如果機(jī)械制動(dòng)器的電磁抱閘線圈接在U、V、W端，則在變頻器低速時(shí)機(jī)械抱閘始終處于抱緊狀態(tài)，變頻器會(huì)因過載而跳閘，所以機(jī)械制動(dòng)器的電磁線圈只能接在變頻器的輸入端R、S、T端。
3.10變頻器低速運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)及對策。常規(guī)設(shè)計(jì)的自通風(fēng)異步電動(dòng)機(jī)在額定工況下及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，是不會(huì)超過額定溫升的，但處于變頻調(diào)速系統(tǒng)中，情況就有所不同。自通風(fēng)異步電動(dòng)機(jī)在20HZ以下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子風(fēng)葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下長期運(yùn)行，勢必造成電機(jī)溫升增加，使調(diào)速系統(tǒng)的特性變壞。所以，當(dāng)自通風(fēng)異步電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行并且拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，必須采取強(qiáng)制冷卻措施，改善電機(jī)的散熱能力，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3.11當(dāng)變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的接線超長時(shí)，隨著變頻器輸出電纜的長度增加，其分布電容明顯增大，從而造成變頻器逆變輸出的容性尖峰電流過大引起變頻器跳閘保護(hù)，因此必須使用輸出電抗器或du/dt濾波器或正弦波濾波器等裝置對這種容性尖峰電流進(jìn)行限制。
輸出濾波電抗器用于補(bǔ)償在電機(jī)電纜長距離敷設(shè)時(shí)引起的線路電容充電電流，也可抑制諧波。在多電機(jī)成組傳動(dòng)時(shí)，可接入一臺(tái)輸出濾波電抗器，總電纜長度是每臺(tái)電機(jī)電纜長度的總和。從理論上說，功率等級不同的變頻器所允許敷設(shè)的電機(jī)電纜長度是不同的，并且不同生產(chǎn)廠商的變頻器所允許敷設(shè)的電機(jī)電纜長度也是不同的。因此，關(guān)于變頻器敷設(shè)的電機(jī)電纜在超過多長距離時(shí)應(yīng)加裝輸出濾波電抗器，還應(yīng)參閱各變頻器生產(chǎn)廠商提供的使用手冊。
3.12不要在變頻器輸出側(cè)安裝電力電容器、浪涌抑制器和無線電噪聲濾波器，這將導(dǎo)致變頻器故障或電容器和浪涌抑制器的損壞。
3.13變頻器的漏電流及其對策。由于在變頻器的輸入、輸出布線和電動(dòng)機(jī)繞組中存在分布電容，而現(xiàn)在的變頻器大多采用PWM調(diào)制方式，因此會(huì)有漏電流流過它們，其值正比于分布電容量和變頻器的載波頻率。因此，要降低變頻器的漏電流，一是盡可能縮短變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的接線長度，二是盡量降低變頻器的載波頻率。
為了保護(hù)設(shè)備和人身安全，可在變頻器的進(jìn)線側(cè)安裝漏電斷路器。當(dāng)選用變頻器專用的漏電斷路器時(shí)，其額定靈敏度電流：I△n≥10×（Ig1+Ign+Ig2+Igm）;當(dāng)選用一般的漏電斷路器時(shí)，其額定靈敏度電流：I△n≥10×{Ig1+Ign+3×（Ig2+Igm）};上式中：Ig1—工頻電源運(yùn)行時(shí)變頻器輸入回路的漏電流，Ig2—工頻電源運(yùn)行時(shí)變頻器輸出回路的漏電流，Ign—變頻器輸入側(cè)噪聲濾波器的漏電流，Igm—工頻電源運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的漏電流。如果上式中的漏電流基本數(shù)據(jù)不好確定，可按下述經(jīng)驗(yàn)選擇。變頻器專用漏電斷路器的額定靈敏度電流按每臺(tái)變頻器20mA估算，一般漏電斷路器的額定靈敏度電流按每臺(tái)變頻器50mA估算。
4.結(jié)束語
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展完善，交流變頻調(diào)速技術(shù)日益顯現(xiàn)出優(yōu)異的控制及調(diào)速性能，高效率、易維護(hù)等特點(diǎn)，加之它的價(jià)格不斷下降，使其在機(jī)械設(shè)備的調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛，成為一種優(yōu)選的調(diào)速方案。但是，變頻器的應(yīng)用，具有不同于以往的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。本文針對應(yīng)用廣泛的通用變頻器，提出了在變頻器選型和外圍配置中需要注意的一些問題。工程現(xiàn)場選用變頻調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)權(quán)衡利弊，合理選用。只有正確、靈活地用好變頻器，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)才能安全、可靠地運(yùn)行
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