[讨论] 变频器的选型及配置要点

1.前言 由于电力电子技术的不断发展和进步，伴随着新的控制理论的提出与完善，使交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速的发展。近年来，变频器的售价不断下降，而其使用功能却不断提升和扩大，它现在已经广泛应用于从一些数百瓦级的家用器械直到一些数千千瓦级的大型工业传动装置的驱动。交流变频调速已从最初的只能用于风机、水泵的调速过渡到应用于各类要求高精度、快响应的高性能调速指标的工业现场。变频器的大量推广使用，在节能、省力化、自动化及提高生产率、提高质量、减少维修和提高舒适性等多方面都取得了令世人瞩目的应用效果。但是，变频器毕竟是近二十年来新出现的一种蕴涵多种高新技术的电力电子产品，要想让它发挥很好的应用效果，就必须对它的选型和配置做深入的研究。 2.变频器的选型 变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，然后决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。 2.1机械设备的负载转矩特性 人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和流体类负载。 2.1.1恒转矩负载 在这类负载中，负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下长时稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。 2.1.2恒功率负载 这类负载的特点是需求转矩TL与转速n大体成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。 负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。 2.1.3流体类负载 这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。 流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。 2.2根据负载特性选取适当控制方式的变频器 现在市场上出售的变频器种类繁多，功能也日益强大，变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。下表综述了近年来各种变频器控制方式的性能特点。 综上所述，异步电动机变频控制选用不同的控制方法，就可以得到不同性能特点的调速特性。 2.3根据安装环境选取变频器的防护结构 变频器的防护结构要与其安装环境相适应，这就要考虑环境温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与变频器能否长期、安全、可靠运行关系重大。大多数变频器厂商可提供以下几种常用的防护结构供用户选用： （1）开放型IP00，它从正面保护人体不能触摸到变频器内部的带电部分，适用于安装在电控柜内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频器集中使用较好，但它对安装环境要求较高。 （2）封闭型IP20、IP21，这种防护结构的变频器四周都有外罩，可在建筑物内的墙上壁挂式安装，它适用于大多数的室内安装环境。 （3）密封型IP40、IP42，它适用于工业现场环境条件较差的场合。 （4）密闭型IP54、IP55，它具有防尘、防水的防护结构，适用于工业现场环境条件差，有水淋、粉尘及一定腐蚀性气体的场合。 关于变频器容量的计算，可参阅参考文献1，限于篇幅，此不赘述。 3.变频器的外围配置要点 3.1把变频器连接在大容量电源变压器（500KVA以上）电网中，或者在同一电源变压器上连接有晶闸管变流器而未使用换流电抗器，或者同一电网上有功率改善用切换电容器组时，应配置AC电抗器或DC电抗器，它们也有改善变频器电源侧功率因数和降低输入高次谐波电流的效果。 3.2变频器与供电电源之间应装设带有短路及过载保护的低压断路器、交流接触器，以免变频器发生故障时事故扩大。电控系统的急停控制应使变频器电源侧的交流接触器开断，彻底切断变频器的电源供给，保证设备及人身安全。 3.3变频器输入端R、S、T与输出端U、V、W不能接错。变频器的输入端R、S、T是与三相整流桥输入端相连接，而输出端U、V、W是与三相异步电动机相连接的晶体管逆变电路。若两者接错，轻则不能实现变频调速，电机也不会运转，重则烧毁变频器。 3.4在起动、停止频繁的场合，不要用主电路电源的通、断来控制变频器的起动、停止，应使用变频器控制面板上的RUN/STOP键或SF/SR控制端子。因为变频器启动时，首先要给直流回路的大容量电解电容充电，如果频繁启动变频器势必造成电容充电用限流电阻发热严重，同时也缩短了大容量电解电容的使用寿命。 3.5变频器的端子“N”为中间直流回路的低电平端，严禁与三相四线制供电线路中的零线或大地相接,否则会造成三相整流桥因电源短路而损坏变频器。 3.6变频器的输出侧一般不能安装电磁接触器，若必须安装，则一定要注意满足以下条件：变频器若正在运行中，严禁切换输出侧的电磁接触器；要切换接触器必须等到变频器停止输出后才可以。因为，如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压而极易损坏变频器中的电力电子器件。因此，要切换变频器输出侧的接触器，一定要等到所控制的电动机完全停止以后。 3.7遇有内装制动单元而需外加制动电阻的变频器，一定要注意制动电阻的正确接线。制动电阻要接在P与DB之间，不能接在P、N之间，否则会造成变频器的逆变器在未运行时三相整流桥就满载工作，造成变频器无法正常工作，制动电阻也有烧毁的可能。 3.8变频调速的多速电动机，在运行中不能改变极对数。如果在变频调速系统中，为了扩大调速范围而必须选用多速电动机时，由于多速电动机是用改变定子绕组接线方法，改变极对数，实现调速目的。如果在变频器运行中改变电动机的绕组接线，就会引起很大的冲击电流，造成变频器过载跳闸，甚至烧毁的严重事故。所以，要安全切换多速电动机的绕组，必须要等到变频器停止输出后才能进行。 3.9机械制动器在变频调速系统中的正确使用。在脉宽调制（PWM）的变频器中，其输出频率与输出电压之比为一常数，即f/V=C。在输出频率低时，其输出电压也低，如果机械制动器的电磁抱闸线圈接在U、V、W端，则在变频器低速时机械抱闸始终处于抱紧状态，变频器会因过载而跳闸，所以机械制动器的电磁线圈只能接在变频器的输入端R、S、T端。 3.10变频器低速运行时的特点及对策。常规设计的自通风异步电动机在额定工况下及规定的环境温度范围内，是不会超过额定温升的，但处于变频调速系统中，情况就有所不同。自通风异步电动机在20HZ以下运行时，转子风叶的冷却能力下降，再如果在恒转矩负载条件下长期运行，势必造成电机温升增加，使调速系统的特性变坏。所以，当自通风异步电动机在低频运行并且拖动恒转矩负载时，必须采取强制冷却措施，改善电机的散热能力，保证变频调速系统的稳定性。 3.11当变频器和电动机之间的接线超长时，随着变频器输出电缆的长度增加，其分布电容明显增大，从而造成变频器逆变输出的容性尖峰电流过大引起变频器跳闸保护，因此必须使用输出电抗器或du/dt滤波器或正弦波滤波器等装置对这种容性尖峰电流进行限制。 输出滤波电抗器用于补偿在电机电缆长距离敷设时引起的线路电容充电电流，也可抑制谐波。在多电机成组传动时，可接入一台输出滤波电抗器，总电缆长度是每台电机电缆长度的总和。从理论上说，功率等级不同的变频器所允许敷设的电机电缆长度是不同的，并且不同生产厂商的变频器所允许敷设的电机电缆长度也是不同的。因此，关于变频器敷设的电机电缆在超过多长距离时应加装输出滤波电抗器，还应参阅各变频器生产厂商提供的使用手册。 3.12不要在变频器输出侧安装电力电容器、浪涌抑制器和无线电噪声滤波器，这将导致变频器故障或电容器和浪涌抑制器的损坏。 3.13变频器的漏电流及其对策。由于在变频器的输入、输出布线和电动机绕组中存在分布电容，而现在的变频器大多采用PWM调制方式，因此会有漏电流流过它们，其值正比于分布电容量和变频器的载波频率。因此，要降低变频器的漏电流，一是尽可能缩短变频器和电动机之间的接线长度，二是尽量降低变频器的载波频率。 为了保护设备和人身安全，可在变频器的进线侧安装漏电断路器。当选用变频器专用的漏电断路器时，其额定灵敏度电流：I△n≥10×（Ig1+Ign+Ig2+Igm）;当选用一般的漏电断路器时，其额定灵敏度电流：I△n≥10×{Ig1+Ign+3×（Ig2+Igm）};上式中：Ig1—工频电源运行时变频器输入回路的漏电流，Ig2—工频电源运行时变频器输出回路的漏电流，Ign—变频器输入侧噪声滤波器的漏电流，Igm—工频电源运行时电动机的漏电流。如果上式中的漏电流基本数据不好确定，可按下述经验选择。变频器专用漏电断路器的额定灵敏度电流按每台变频器20mA估算，一般漏电断路器的额定灵敏度电流按每台变频器50mA估算。 4.结束语 随着电力电子技术的不断发展完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能，高效率、易维护等特点，加之它的价格不断下降，使其在机械设备的调速领域中应用日益广泛，成为一种优选的调速方案。但是，变频器的应用，具有不同于以往的电气传动系统的特点。本文针对应用广泛的通用变频器，提出了在变频器选型和外围配置中需要注意的一些问题。工程现场选用变频调速系统，应权衡利弊，合理选用。只有正确、灵活地用好变频器，交流变频调速系统才能安全、可靠地运行。