通用變頻器運行過程中存在的問題及其對策
1、前言
自80年代通用變頻器進入中國市場以來，在短短的十幾年時間里得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前，通用變頻器以其智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點越來越受到人們的青睞。隨著通用變頻器應(yīng)用范圍的擴大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾方面：
①諧波問題
②變頻器負載匹配問題
③發(fā)熱問題
以上這些問題已經(jīng)引起了有關(guān)治理部門和廠礦的注重并制定了相關(guān)的技術(shù)標準。如諧波問題，我國于1984年和1993年通過了“電力系統(tǒng)諧波治理暫行規(guī)定”及GB/T-14549-93標準，用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。針對上述問題，本文進行了分析并提出了解決方案及對策。
2、諧波問題及其對策
通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成：整流部分、逆變部分和濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形。對于雙極性調(diào)制的變頻器，其輸出電壓波形展開式為：
式中：n—諧波的次數(shù)n=1，3，5……;
a1—開關(guān)角，i=1，2，3……N/2;
Ed—變頻器直流側(cè)電壓;
N—載波比。
由式可見，各項諧波的幅值為
令n=1，則得出變頻器輸出電壓的基波幅值為：
從、、式可以看出，通用變頻器的輸出電壓中確實含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。
如前所述，由于通用變頻器的整流部分采用二極管不可控橋式整流電路，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，所以整流器的輸入電流實際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。為了消除諧波，可采用以下對策：
①增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗
通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小時，則內(nèi)阻抗值相對越大，諧波含量越小；電源容量相對變頻器容量越大時，則內(nèi)阻抗值相對越大，諧波含量越大。對于三菱FR-F540系列變頻器，當電源內(nèi)阻為4%時，可以起到很好的諧波抑制作用。所以選擇變頻器供電電源變壓器時，*好選擇短路阻抗大的變壓器。
②安裝電抗器
安裝電抗器實際上從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)安裝交流電抗器或在變頻器的直流側(cè)安裝直流電抗器，或同時安裝，抑制諧波電流。表一列出了三菱FR-A540變頻器安裝電抗器和不安裝電抗器的含量對照表。
③變壓器多相運行
通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大。假如應(yīng)用變壓器的多相運行，使相位角互差30°如Y-△、△-△組合的兩個變壓器構(gòu)成相當于12脈波的效果則可減小低次諧波電流28%，起到了很好的諧波抑制作用。
④調(diào)節(jié)變頻器的載波比
從、、式可以看出，只要載波比足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制，非凡是參考波幅值與載波幅值小于1時，13次以下的奇數(shù)諧波不再出現(xiàn)。
⑤專用濾波器
該專用濾波器用于檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生一個與諧波電流幅值相同且相位正好相反的電流，通到變頻器中，從而可以非常有效地吸收諧波電流。
3、負載匹配問題及其對策
生產(chǎn)機械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉(zhuǎn)矩特性是復(fù)雜的，大體分為三種類型：恒轉(zhuǎn)矩負載、風機泵類負載和恒功率負載。針對不同的負載類型，應(yīng)選擇不同類型的變頻器。
①恒轉(zhuǎn)矩負載
恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩均保持恒定。恒轉(zhuǎn)矩負載又分為摩擦類負載和位能式負載。
摩擦類負載的起動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的150%左右，制動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的100%左右，所以變頻器應(yīng)選擇那些具有恒定轉(zhuǎn)矩特性，并且起動和制動轉(zhuǎn)矩都比較大，過載時間長和過載能力大的變頻器。如三菱變頻器FR-A540系列。
位能式負載一般要求大的起動轉(zhuǎn)矩和能量回饋功能，能夠快速實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，變頻器應(yīng)選擇具有四象限運行能力的變頻器。如三菱變頻器FR-A241系列。
②風機泵類負載
風機泵類負載是目前工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用*多的設(shè)備，雖然泵和風機的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風機應(yīng)用為主，通用變頻器在這類負載上的應(yīng)用*多。風機泵類負載是一種平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，轉(zhuǎn)矩T與泵的軸功率N有如下關(guān)系式：
這類負載對變頻器的性能要求不高，只要求經(jīng)濟性和可靠性，所以選擇具有U/f=const控制模式的變頻器即可。如三菱變頻器FR-F540系列。風機負載在實際運行過程中，由于轉(zhuǎn)動慣量比較大，所以變頻器的加速時間和減速時間是一個非常重要的問題，可按下列公式進行計算：
式中：tACC—加速時間;
tDEC—減速時間;
GD2—折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量;
g—重力加速度，g=9.81;
TM—電動機的電磁轉(zhuǎn)矩;
TL—負載轉(zhuǎn)矩;
nAS—系統(tǒng)加速時的初始速度;
nAE—系統(tǒng)加速時的終止速度;
nDS—系統(tǒng)減速時的初始速度;
nDE—系統(tǒng)減速時的終止速度。
從上式可以看出，風機負載的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量計算是非常重要的。變頻器具體設(shè)計時，按上式計算結(jié)果，進行適當修正，在變頻器起動時不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時不發(fā)生過電壓跳閘的情況下，選擇*短時間。
泵類負載在實際運行過程中，輕易發(fā)生喘振、憋壓和水垂效應(yīng)，所以變頻器選型時，要選擇適于泵類負載的變頻器且變頻器在功能設(shè)定時要針對上述問題進行單獨設(shè)定：
喘振：測量易發(fā)生喘振的頻率點，通過設(shè)定跳躍頻率點和寬度，避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。
憋壓：泵類負載在低速運行時，由于系統(tǒng)憋壓而導(dǎo)致流量為零，從而造成泵燒壞。在變頻器功能設(shè)定時，通過限定變頻器的*低頻率，而限定了泵流量的臨界點處的系統(tǒng)*低轉(zhuǎn)速，這就避免了此類現(xiàn)象的發(fā)生。
水垂效應(yīng)：泵類負載在忽然斷電時，由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴或沒有逆止閥，將導(dǎo)致電機反轉(zhuǎn)，因電機發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障警燒壞。在變頻器系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)使變頻器按減速曲線停止，在電機完全停止后再斷開主電路電，或者設(shè)定“斷電減速停止”功能，這樣就避免了該現(xiàn)象的發(fā)生。
③恒功率負載
恒功率負載是指轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)速成反比的負載，如卷取機、開卷機等。利用變頻器驅(qū)動恒功率負載時，應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的，通常考慮在某個轉(zhuǎn)速點以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而在高于該轉(zhuǎn)速點時才采用恒功率調(diào)速方式。我們通常將該轉(zhuǎn)速點稱為基頻，該點對應(yīng)的電壓為變頻器輸出額定電壓。從理論上講，要想實現(xiàn)真正意義上的恒功率控制，變頻器的輸出頻率f和輸出電壓U必須遵循U2/f=const協(xié)調(diào)控制，但這在實際變頻器運行過程中是不答應(yīng)的，因為在基頻以上，變頻器的輸出電壓不能隨著其輸出頻率增加，只能保持額定電壓，所以只能是一種近似意義上的恒功率控制。
4、發(fā)熱問題及其對策
變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱，通常采用以下方法：
①采用風扇散熱：變頻器的內(nèi)裝風扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運行。
②降低安裝環(huán)境溫度：由于變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元、電解電容等，所以溫度對其壽命影響比較大。通用變頻器的環(huán)境運行溫度一般要求-10℃~-50℃，假如能夠采取措施盡可能降低變頻器運行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長，性能也比較穩(wěn)定。
我們采取兩種方法：一種方法是建造單獨的變頻器低壓間，內(nèi)部安裝空調(diào)，保持低壓間溫度在+15℃~+20℃之間。另一種方法是變頻器的安裝空間要滿足變頻器使用說明書的要求。
以上所談到的變頻器發(fā)熱是指變頻器在額定范圍之內(nèi)正常運行的損耗。當變頻器發(fā)生非正常運行產(chǎn)生的損耗必須通過正常的選型來避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。
對于風機泵類負載，當我們選擇三菱變頻器FR-F540時，其過載能為120%/60秒，其過載周期為300秒，也就是說，當變頻器相對于其額定負載的120%過載時，其持續(xù)時間為60秒，并且在300秒之內(nèi)不答應(yīng)出現(xiàn)**次過載。當變頻器出現(xiàn)過載時，功率單元因其流過的過載電流而升溫，導(dǎo)致變頻器過熱，這時必須盡快使其降溫以使變頻器的過熱保護動作消除，這個冷卻過程就是變頻器的過載周期。不同的變頻器，其過載倍數(shù)、過載時間和過載周期均不相同，并且其過載倍數(shù)越大，過載時間越短，請見表2所示：
對于變頻器所驅(qū)動的電機，按其工作情況可分為兩類：長期工作制和重復(fù)短時工作制。長期工作制的電機可以按其品牌規(guī)定的數(shù)據(jù)長期運行。針對該類負載，變頻器可根據(jù)電機銘牌數(shù)據(jù)進行選型，如連續(xù)運行的油泵，若其電機功率為22kW時，可選擇FR-F540-22k變頻器即可。重復(fù)短時工作制電機，其特點是重復(fù)性和短時性，即電機的工作時間和停歇時間交替進行，而且都比較短，二者之和，按國家規(guī)定不得超過60秒。重復(fù)短時工作制電機答應(yīng)其過載且有一定的溫升。此時，若根據(jù)電機銘牌數(shù)據(jù)來選擇變頻器，勢必造成變頻器的損壞。針對該類負載，變頻器在參考電機銘牌數(shù)據(jù)的情況下要根據(jù)電機負載圖和變頻器的過載倍數(shù)、過載時間、過載周期來選型。如重復(fù)短時運行的升降機，其電機功率為18.5kW，可選擇FR-A540-22k變頻器。
5、結(jié)論
本文通過對通用變頻器運行過程中存在問題的分析，提出了解決這些問題的實際對策，隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，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。隨著工業(yè)現(xiàn)場和社會環(huán)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。