DQZHAN技術(shù)訊：變頻器工作原理及相關(guān)技術(shù)剖析

變頻器工作原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。

變頻器選型：

變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)：

1采用變頻的目的;恒壓控制或恒流控制等。

2變頻器的負(fù)載類(lèi)型;如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。

3變頻器與負(fù)載的匹配問(wèn)題

1)電壓匹配;變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。

2)電流匹配;普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以*大電流確定變頻器電流和過(guò)載能力。

3)轉(zhuǎn)矩匹配;這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。

4在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。

5變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

6對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。

變頻器控制原理圖設(shè)計(jì)：

1)首先確認(rèn)變頻器的安裝環(huán)境;

I.工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為0～55℃，但為了保證工作**、可靠，使用時(shí)應(yīng)考慮留有余地，*好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵守產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的安裝要求，**不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。

II. 環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會(huì)大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時(shí)，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個(gè)問(wèn)題會(huì)比較突出。

III.腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會(huì)腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會(huì)加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。

IV. 振動(dòng)和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動(dòng)和沖擊時(shí)，會(huì)引起電氣接觸**?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問(wèn)題。這時(shí)除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)離振動(dòng)源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開(kāi)關(guān)之類(lèi)產(chǎn)生振動(dòng)的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。

V. 電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周?chē)a(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應(yīng)該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對(duì)儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作，導(dǎo)致控制單元失靈或損壞。

2)變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線方法;

I.變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)該盡量的短。這樣減小了電纜的對(duì)地電容，減少干擾的發(fā)射源。

II. 控制電纜選用屏蔽電纜，動(dòng)力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部用穿線管屏蔽。

III.電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，其*小距離為500mm。同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長(zhǎng)距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號(hào)線與主回路線分開(kāi)走線，即使在控制柜中也要如此。

IV. 與變頻器有關(guān)的模擬信號(hào)線*好選用屏蔽雙絞線，動(dòng)力電纜選用屏蔽的三芯電纜(其規(guī)格要比普通電機(jī)的電纜大檔)或遵從變頻器的用戶手冊(cè)。

3)變頻器控制原理圖;

I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過(guò)電源的輸入回路返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設(shè)備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來(lái)決定是否需要加電抗器;濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當(dāng)變頻器到電機(jī)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護(hù)功能，但缺相保護(hù)卻并不**，斷路器在主回路中起到過(guò)載，缺相等保護(hù)，選型時(shí)可按照變頻器的容量進(jìn)行選擇?？梢杂米冾l器本身的過(guò)載保護(hù)代替熱繼電器。

II. 控制回路：具有工頻變頻的手動(dòng)切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時(shí)可以手動(dòng)切工頻運(yùn)行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。

4)變頻器的接地;

變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面不小于4mm，長(zhǎng)度不超過(guò) 5m。變頻器的接地應(yīng)和動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開(kāi)，不能共地。信號(hào)線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。

7變頻器控制柜設(shè)計(jì)：

變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問(wèn)題

1)散熱問(wèn)題：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?？煽窟\(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱我們通常采用風(fēng)扇散熱;變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行;大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道要設(shè)計(jì)合理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積;根據(jù)變頻器說(shuō)明書(shū)的通風(fēng)量來(lái)選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝要注意防震問(wèn)題。

2)電磁干擾問(wèn)題：

I.變頻器在工作中由于整流和變頻，周?chē)a(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會(huì)產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會(huì)通過(guò)供電回路進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個(gè)系統(tǒng)25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。

II.當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源時(shí)，變頻器本身會(huì)因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)保護(hù)，則考慮整個(gè)系統(tǒng)的電源質(zhì)量問(wèn)題。

3)防護(hù)問(wèn)題需要注意以下幾點(diǎn)：

I.防水防結(jié)露：如果變頻器放在現(xiàn)場(chǎng)，需要注意變頻器柜上方不的有管道法蘭或其他漏點(diǎn)，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現(xiàn)場(chǎng)柜體防護(hù)等級(jí)要在IP43以上。

II. 防塵：所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進(jìn)入，防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為可拆卸式，以方便清理，維護(hù)。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況確定，防塵網(wǎng)四周與控制柜的結(jié)合處要處理嚴(yán)密。

III.防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)這種情況比較多見(jiàn)，此時(shí)可以將變頻柜放在控制室中。

8變頻器接線規(guī)范：

信號(hào)線與動(dòng)力線必須分開(kāi)走線：使用模擬量信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，為了減少模擬量受來(lái)自變頻器和其它設(shè)備的干擾，請(qǐng)將控制變頻器的信號(hào)線與強(qiáng)電回路(主回路及順控回路)分開(kāi)走線。距離應(yīng)在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣要保持這樣的接線規(guī)范。該信號(hào)與變頻器之間的控制回路線*長(zhǎng)不得超過(guò) 50m。

信號(hào)線與動(dòng)力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連接PLC和變頻器的信號(hào)線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾;同時(shí)由于變頻器無(wú)內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級(jí)動(dòng)力線對(duì)外部會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號(hào)線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號(hào)線與動(dòng)力線的徹底分開(kāi)。

1)模擬量控制信號(hào)線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時(shí)一定要注意，電纜剝線要盡可能的短(5-7mm左右)，同時(shí)對(duì)剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來(lái)，以防止屏蔽線與其它設(shè)備接觸引入干擾。

2)為了提高接線的簡(jiǎn)易性和可靠性，推薦信號(hào)線上使用壓線棒端子。

9變頻器的運(yùn)行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置：

變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個(gè)參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個(gè)別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。

控制方式：即速度控制、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)辨識(shí)。

*低運(yùn)行頻率：即電機(jī)運(yùn)行的*小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其散熱性能很差，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且低速時(shí)，其電纜中的電流也會(huì)增大，也會(huì)導(dǎo)致電纜發(fā)熱。

*高運(yùn)行頻率：一般的變頻器*大頻率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高頻率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，其軸承不能長(zhǎng)時(shí)間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。

載波頻率：載波頻率設(shè)置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長(zhǎng)度，電機(jī)發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關(guān)的。

電機(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、*大頻率，這些參數(shù)可以從電機(jī)銘牌中直接得到。

跳頻：在某個(gè)頻率點(diǎn)上，有可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個(gè)裝置比較高時(shí);在控制壓縮機(jī)時(shí)，要避免壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。

10常見(jiàn)故障分析

1)過(guò)流故障：過(guò)流故障可分為加速、減速、恒速過(guò)電流。其可能是由于變頻器的加減速時(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、負(fù)荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時(shí)一般可通過(guò)延長(zhǎng)加減速時(shí)間、減少負(fù)荷的突變、外加能耗制動(dòng)元件、進(jìn)行負(fù)荷分配設(shè)計(jì)、對(duì)線路進(jìn)行檢查。如果斷開(kāi)負(fù)載變頻器還是過(guò)流故障，說(shuō)明變頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。

2)過(guò)載故障：過(guò)載故障包括變頻過(guò)載和電機(jī)過(guò)載。其可能是加速時(shí)間太短，電網(wǎng)電壓太低、負(fù)載過(guò)重等原因引起的。一般可通過(guò)延長(zhǎng)加速時(shí)間、延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間、檢查電網(wǎng)電壓等。負(fù)載過(guò)重，所選的電機(jī)和變頻器不能拖動(dòng)該負(fù)載，也可能是由于機(jī)械潤(rùn)滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機(jī)和變頻器;如后者則要對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行檢修。

3)欠壓：說(shuō)明變頻器電源輸入部分有問(wèn)題，需檢查后才可運(yùn)行。