變頻器的選型及配置要點

1.前言

    由于電力電子技術的不斷發展和進步，伴隨著新的控制理論的提出與完善，使交流調速傳動，尤其是性能優異的變頻調速傳動得到飛速的發展。近年來，變頻器的售價不斷下降，而其使用功能卻不斷提升和擴大，它現在已經廣泛應用于從一些數百瓦級的家用器械直到一些數千千瓦級的大型工業傳動裝置的驅動。交流變頻調速已從初的只能用于風機、水泵的調速過渡到應用于各類要求高精度、快響應的高性能調速指標的工業現場。變頻器的大量推廣使用，在節能、省力化、自動化及提高生產率、提高質量、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用效果。但是，變頻器畢竟是近二十年來新出現的一種蘊涵多種高新技術的電力電子產品，要想讓它發揮很好的應用效果，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械設備電控系統的正常運行是至關重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度、起動轉矩和使用環境的要求，然后決定選用何種控制方式和防護結構的變頻器合適。所謂合適是在滿足機械設備的實際工藝生產要求和使用場合的前提下，實現變頻器應用的性價比。

    2.1機械設備的負載轉矩特性

    人們在實踐中常將生產機械根據負載轉矩特性的不同，分為三大類型：恒轉矩負載、恒功率負載和流體類負載。

    2.1.1恒轉矩負載

    在這類負載中，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，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉矩負載。

    變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速時的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時穩速運行，應該考慮標準籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。

    2.1.2恒功率負載

    這類負載的特點是需求轉矩TL與轉速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產線中的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負載。

    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，允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，允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小。

    2.1.3流體類負載

    這類負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。各種風機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負載。

    流體類負載通過變頻器調速來調節風量、流量，可以大幅度節約電能。由于流體類負載在高速時的需求功率增長過快，與負載轉速的三次方成正比，所以不應使這類負載超工頻運行。

    2.2根據負載特性選取適當控制方式的變頻器

    現在市場上出售的變頻器種類繁多，功能也日益強大，變頻器的性能也越來越成為調速性能優劣的決定因素，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。

    綜上所述，異步電動機變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點的調速特性。

    2.3根據安裝環境選取變頻器的防護結構

    變頻器的防護結構要與其安裝環境相適應，這就要考慮環境溫度、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、可靠運行關系重大。大多數變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護結構供用戶選用：

    （1）開放型IP00，它從正面保護人體不能觸摸到變頻器內部的帶電部分，適用于安裝在電控柜內或電氣室內的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用較好，但它對安裝環境要求較高。

    （2）封閉型IP20、IP21，這種防護結構的變頻器四周都有外罩，可在建筑物內的墻上壁掛式安裝，它適用于大多數的室內安裝環境。

    （3）密封型IP40、IP42，它適用于工業現場環境條件較差的場合。

    （4）密閉型IP54、IP55，它具有防塵、防水的防護結構，適用于工業現場環境條件差，有水淋、粉塵及一定腐蝕性氣體的場合。

    關于變頻器容量的計算，可參閱參考文獻1，限于篇幅，此不贅述。

    3.變頻器的外圍配置要點

    3.1把變頻器連接在大容量電源變壓器（500KVA以上）電網中，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，或者同一電網上有功率改善用切換電容器組時，應配置AC電抗器或DC電抗器，它們也有改善變頻器電源側功率因數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裝設帶有短路及過載保護的低壓斷路器、交流接觸器，以免變頻器發生故障時事故擴大。電控系統的急?？刂茟棺冾l器電源側的交流接觸器開斷，徹底切斷變頻器的電源供給，保證設備及人身安全。

    3.3變頻器輸入端R、S、T與輸出端U、V、W不能接錯。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是與三相異步電動機相連接的晶體管逆變電路。若兩者接錯，輕則不能實現變頻調速，電機也不會運轉，重則燒毀變頻器。

    3.4在起動、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、停止，應使用變頻器控制面板上的RUN/STOP鍵或SF/SR控制端子。因為變頻器啟動時，首先要給直流回路的大容量電解電容充電，如果頻繁啟動變頻器勢必造成電容充電用限流電阻發熱嚴重，同時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，嚴禁與三相四線制供電線路中的零線或大地相接,否則會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：變頻器若正在運行中，嚴禁切換輸出側的電磁接觸器；要切換接觸器必須等到變頻器停止輸出后才可以。因為，如果在變頻器正常輸出時切換輸出側的接觸器，將會在接觸器觸點斷開的瞬間產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的接觸器，一定要等到所控制的電動機完全停止以后

    3.7遇有內裝制動單元而需外加制動電阻的變頻器，一定要注意制動電阻的正確接線。制動電阻要接在P與DB之間，不能接在P、N之間，否則會造成變頻器的逆變器在未運行時三相整流橋就滿載工作，造成變頻器無法正常工作，制動電阻也有燒毀的可能。

    3.8變頻調速的多速電動機，在運行中不能改變極對數。如果在變頻調速系統中，為了擴大調速范圍而必須選用多速電動機時，由于多速電動機是用改變定子繞組接線方法，改變極對數，實現調速目的。如果在變頻器運行中改變電動機的繞組接線，就會引起很大的沖擊電流，造成變頻器過載跳閘，甚至燒毀的嚴重事故。所以，要安全切換多速電動機的繞組，必須要等到變頻器停止輸出后才能進行。

    3.9機械制動器在變頻調速系統中的正確使用。在脈寬調制（PWM）的變頻器中，其輸出頻率與輸出電壓之比為一常數，即f/V=C。在輸出頻率低時，其輸出電壓也低，如果機械制動器的電磁抱閘線圈接在U、V、W端，則在變頻器低速時機械抱閘始終處于抱緊狀態，變頻器會因過載而跳閘，所以機械制動器的電磁線圈只能接在變頻器的輸入端R、S、T端。

    3.10變頻器低速運行時的特點及對策。常規設計的自通風異步電動機在額定工況下及規定的環境溫度范圍內，是不會超過額定溫升的，但處于變頻調速系統中，情況就有所不同。自通風異步電動機在20HZ以下運行時，轉子風葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉矩負載條件下長期運行，勢必造成電機溫升增加，使調速系統的特性變壞。所以，當自通風異步電動機在低頻運行并且拖動恒轉矩負載時，必須采取強制冷卻措施，改善電機的散熱能力，保證變頻調速系統的穩定性。

    3.11當變頻器和電動機之間的接線超長時，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，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行限制。

    輸出濾波電抗器用于補償在電機電纜長距離敷設時引起的線路電容充電電流，也可抑制諧波。在多電機成組傳動時，可接入一臺輸出濾波電抗器，總電纜長度是每臺電機電纜長度的總和。從理論上說，功率等級不同的變頻器所允許敷設的電機電纜長度是不同的，并且不同生產廠商的變頻器所允許敷設的電機電纜長度也是不同的。因此，關于變頻器敷設的電機電纜在超過多長距離時應加裝輸出濾波電抗器，還應參閱各變頻器生產廠商提供的使用手冊。

    3.12不要在變頻器輸出側安裝電力電容器、浪涌抑制器和無線電噪