0引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制理論的不斷提出與完善，使變頻技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。近年來，伴隨著變頻器功能的不斷提升和擴(kuò)大，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展，其現(xiàn)在已經(jīng)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。ACS150系列變頻器由ABB公司設(shè)計(jì)制造，它可以通過可選件的優(yōu)化組合最大范圍地滿足機(jī)械行業(yè)的要求，主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類、門控、物料輸送、傳送帶等的控制。

1變頻調(diào)速原理

n=60f(1-s)/p（1）

式中：n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f為電網(wǎng)頻率；

s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；

p為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0~50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。

變頻器主要采用交—直—交方式，即先把工頻交流電源通過整流裝置轉(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，逆變部分為IGBT三相橋式逆變，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)的作用為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

變頻器在應(yīng)用中改變的不僅僅是頻率，它還得同時(shí)改變交流電的電壓，如果僅改變頻率，電機(jī)可能被燒壞。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。但是在低頻時(shí)仍成比例地降低電壓，由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速下磁鍵波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。

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，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。所謂合適是指在滿足機(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平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載

風(fēng)機(jī)類、泵類負(fù)載是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。一般情況下，具有U/f=const（U是指輸出電壓，f是指輸出電壓的頻率）控制模式的變頻器基本都能滿足這類負(fù)載的要求，下面根據(jù)這類變頻器的主要特點(diǎn)介紹選型時(shí)需要注意的問題。

2.1.1避免過載

風(fēng)機(jī)和水泵一般不容易過載，選擇變頻器的容量時(shí)保證其稍大于或等于電動(dòng)機(jī)的容量即可；同時(shí)選擇的變頻器的過載能力要求也較低，但在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時(shí)應(yīng)注意，由于負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)工作頻率高于電動(dòng)機(jī)的額定頻率時(shí)，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩會超過額定轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)過載。所以，要嚴(yán)格控制最高工作頻率不能超過電機(jī)額定頻率。

2.1.2啟/停時(shí)變頻器加速時(shí)間與減速時(shí)間的匹配

由于風(fēng)機(jī)和泵的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，其啟動(dòng)和停止時(shí)與變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間匹配是一個(gè)非常重要的問題。在變頻器選型和應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷參數(shù)計(jì)算變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間來選擇最短時(shí)間，以便在變頻器啟動(dòng)時(shí)不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時(shí)不發(fā)生過電壓跳閘的情況。但有時(shí)在生產(chǎn)工藝中，對風(fēng)機(jī)和泵的啟動(dòng)時(shí)間要求很嚴(yán)格，如果上述計(jì)算的時(shí)間不能滿足需求時(shí)，應(yīng)該對變頻器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)選型。

2.1.3避免共振

由于變頻器是通過改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，有可能在某一電機(jī)轉(zhuǎn)速下與負(fù)荷軸系的共振點(diǎn)、共振頻率重合，造成負(fù)荷軸系不能容忍的振動(dòng)，有時(shí)會造成設(shè)備停運(yùn)或設(shè)備損壞，所以在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷軸系的共振頻率，通過設(shè)定跳躍頻率點(diǎn)和寬度，避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。

2.1.4憋壓與水錘效應(yīng)

泵類負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過程中，容易發(fā)生憋壓和水錘效應(yīng)，變頻器在功能設(shè)定時(shí)要針對這個(gè)問題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。

1）憋壓泵類負(fù)載在低速運(yùn)行時(shí)，由于關(guān)閉出口閥門使壓力升高，從而造成泵汽蝕。在變頻器功能設(shè)定時(shí)，通過設(shè)定變頻器的最低頻率來限定泵流量的臨界點(diǎn)最低轉(zhuǎn)速，可避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

2）水錘效應(yīng)泵類負(fù)載在突然斷電時(shí)，管道中的液體由于重力而倒流。若逆止閥不嚴(yán)或沒有逆止閥，將導(dǎo)致電機(jī)反轉(zhuǎn)，造成電機(jī)發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障或燒壞。在變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使變頻器按減速曲線停止，在電機(jī)完全停止后再斷開主電路，或者設(shè)定“斷電減速停止”功能，可避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

帶式輸送機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的典型例子。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的基本特點(diǎn)為，在負(fù)荷一定的情況下，負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩取決于皮帶與滾筒間的摩擦阻力和滾筒的半徑。

這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān)，所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩保持不變。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，除了按常規(guī)要求外，應(yīng)對變頻器的控制方式進(jìn)行選擇。

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)，為此要考慮環(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。

3變頻器使用注意事項(xiàng)

1）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?？刂茟?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。

2）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)也不會運(yùn)轉(zhuǎn)，重則燒毀變頻器。

3）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。

4）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,否則會造成三相整流橋因電源短路而損壞變頻器。

5）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)?，如果在變頻器正常輸出時(shí)切換輸出側(cè)的接觸器，將會在接觸器觸點(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。

6）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。

7）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，從而造成變頻器輸出的容性尖峰電流過大而引起變頻器跳

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)行抑制。

8）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。

9）變頻器對散熱有較高的要求，其故障率隨溫度升高而成指數(shù)上升。使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)下降。環(huán)境溫度升高10℃，變頻器使用壽命減半，因此我

們得重視其散熱效果，對于單元型在盤內(nèi)、掛在墻上的都取縱向位，盡可能垂直安裝。對有風(fēng)扇的機(jī)種，風(fēng)的方向是從下向上，所以裝設(shè)變頻器的地方，上、下部不要放置妨礙吸、排氣的機(jī)械器材。還有，變頻器上方不要放置怕熱的零件等。風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)，由風(fēng)扇停止檢測或冷卻風(fēng)扇上的過熱檢測進(jìn)行保護(hù)。

4結(jié)語

異步電動(dòng)機(jī)是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動(dòng)力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動(dòng)機(jī)消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。因此使用變頻器對電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。

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