變頻器應(yīng)用淺談

在各類交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速平滑、易于控制、電機(jī)啟動電流小、節(jié)能等優(yōu)勢。但一直以來，變頻器的價格居高不下，從而制約了在工業(yè)控制中的大量應(yīng)用。對于大多數(shù)工作于一線的電氣專業(yè)人員而言，變頻器的實際應(yīng)用相比于各類傳統(tǒng)設(shè)備是有些陌生的。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的制造成本得到了大幅下調(diào)，從而使之在工業(yè)控制中被大量采用成為了現(xiàn)實。

可正因為其普及過程的快速化，在我們的大量的技術(shù)人員還沒來的及掌握其特點(diǎn)的時候，變頻調(diào)速技術(shù)已在我們身邊的工廠及機(jī)關(guān)事業(yè)單位中大量涌現(xiàn)。導(dǎo)致了當(dāng)前的一種極尷尬的現(xiàn)象，大量安裝維護(hù)人員缺乏必要的、關(guān)于變頻器的基礎(chǔ)知識，甚至一些專業(yè)設(shè)計院所的工程人員都沒能在他們的圖紙中針對變頻器之特點(diǎn)做出合理的設(shè)計。致使運(yùn)行中整個系統(tǒng)受到其影響，嚴(yán)重干擾正常的生產(chǎn)。本著專業(yè)技術(shù)交流的目的，把本人近年來在工作中所掌握的一些變頻器應(yīng)用經(jīng)驗介紹給大家，不足之處，還望指教。

1 變頻器的外接線路

我們可以把變頻器外接線路分為4部分：電源電纜、電機(jī)電纜、控制電纜線、接地線。這些外接線路因所流過的電流的特殊性，所產(chǎn)生的電氣特征大大異于普通設(shè)備線路。不合理的電纜類型及安裝方式常會導(dǎo)致一些異外事故發(fā)生，筆者就曾見過因電磁干擾導(dǎo)致小型繼電器異常動作而造成的事故。所以，變頻器的外接線路絕對應(yīng)該是一個需要認(rèn)真對待的問題。下面，把這幾部分外接線路的選型及安裝做個簡單的介紹。

1.1 電源電纜

為變頻器提供輸入電源，又名功率電纜。電源電纜輸送的電流為工頻電流，對電纜的選型上無特殊要求，選用無屏蔽層的四芯電纜(三相線加接地線)或四芯絕緣電線穿管敷設(shè)皆可。

1.2 電機(jī)電纜

變頻器輸出端與電機(jī)之間的連接電纜，因為變頻器輸出的是PWM(脈寬調(diào)制)波，包含了大量的高次諧波，在運(yùn)行中，電機(jī)電纜會產(chǎn)生一些有害的電學(xué)特性，針對這特性，我們在設(shè)備及電纜的選型、安裝時必須采取一定的對策。

在通電后，電機(jī)電纜內(nèi)會產(chǎn)生一個分布式電容，并由此造成輸入電源與大地之間的泄漏電流，該電流過大時，可導(dǎo)致變頻器的永久性損壞。所產(chǎn)生的分布式電容的強(qiáng)弱與電機(jī)電纜的長度有著直接的關(guān)系，一般情況下，當(dāng)電纜長度超過50m或穿金屬管敷設(shè)電纜長度超過30m時，就應(yīng)該采用交流電抗器來減小分布式電容的強(qiáng)度。

運(yùn)行中，電機(jī)電纜還會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，形成對其它電氣設(shè)備的嚴(yán)重電磁擾動，輕者使系統(tǒng)無法正常工作，重者導(dǎo)致嚴(yán)重事故。所以，電機(jī)電纜的選用及安裝絕不應(yīng)該被我們所忽略。常用對策如下：

(1)使用普通電纜穿金屬線管安裝，利用金屬線管對電磁輻射進(jìn)行屏蔽，從而減小其危害性。安裝時，線管每端都需要安裝一個帶有接地導(dǎo)體的橋接，使用單獨(dú)的管路鋪設(shè)，并與電源電纜、控制電纜分開走線，每個變頻器應(yīng)使用一個單獨(dú)的導(dǎo)線管管路。

(2)使用三相加三接地的連續(xù)波紋狀鋁質(zhì)鎧裝電纜，可與電源電纜共用一個橋架，但應(yīng)該與控制電纜分開。

(3)使用特殊電纜，對稱的帶同軸屏蔽層的三相或三加一電纜、帶對稱結(jié)構(gòu)PE導(dǎo)體的六芯電纜，都可有效的減少電機(jī)電纜的電磁輻射。

(4)不允許使用無屏蔽層的普通三相電纜或三加一電纜。

1.3 接地線路

在變頻系統(tǒng)中，接地連接的作用除了確保人員安全(保護(hù)接地)，還可有效的減少電磁輻射(工作接地)，是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備電磁兼容性的重要手段之一。不合理的接地，不僅會造成人員或設(shè)備損傷，所產(chǎn)生的電磁輻射也會對所鄰近的電氣系統(tǒng)和本身造成干擾，所以，正確的接地連接是極重要的。可以把變頻器的接地分為：電源接地、信號接地、模擬接地(屏蔽接地)。

(1)系統(tǒng)接地。是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段。需要指出的是，變頻器的系統(tǒng)接地應(yīng)該是獨(dú)立于電氣系統(tǒng)接地的，并且之間應(yīng)該的有一定距離。否則，所產(chǎn)生的干擾會影響到其它系統(tǒng)。多臺變頻器鄰近安裝時，不允許將其接地端子串聯(lián)安裝。可將各變頻器系統(tǒng)在柜內(nèi)分別接地，然后匯于接地匯流排，再將各匯流排聯(lián)接到一個公共的接地體上。禁止與避雷接地共用。

(2)屏蔽接地。控制電纜的屏蔽層應(yīng)該選用多點(diǎn)接地，地線的長度要盡量短。對于抗干擾要求較高的場合，可采用雙重靜電屏蔽的電纜，外屏蔽層接至屏蔽地線，內(nèi)屏蔽層接至系統(tǒng)地線。

(3)信號接地。在采用外部傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，距離較遠(yuǎn)時，一定要保證外部傳感設(shè)備和變頻器的可靠獨(dú)立接地。

1.4 控制電纜

因為變頻器本身所具有的強(qiáng)電磁干擾特性，其外接控制線路為避免受到自身的電磁干擾，也必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。為減少電磁擾動，可采用以下方法。

(1)大于48V繼電器控制線最好使用雙絞線，小于48V時可采用數(shù)字輸入信號采用的電纜。實踐證明，使用230V動作電壓的小型繼電器相比于其它低電壓動作的繼電器而言，可有效的抗擊因電磁擾動而導(dǎo)致的誤動作。

(2)盡可能遠(yuǎn)離電源電纜和電機(jī)電纜(距離不小于20cm)。

(3)同一根電纜不能既走模擬信號又走數(shù)字信號。

(4)必須通過動力電纜的地方，盡可能成90度角交叉。

(5)位于變頻器邊緣至少20cm。

(6)同一根電纜不能既走24V DC又走115／230V AC信號。

(7)對于模擬信號，建議使用雙絞雙屏蔽電纜，建議每個信號使用一對單獨(dú)的雙絞線，不同模擬信號不使用公共返回線。

(8)推薦使用多芯，帶辮狀銅屏蔽層電纜，變頻器端將屏蔽層擰成一束連聯(lián)到接地端子，另一端不接地。

(9)數(shù)字信號可使用單層屏蔽線、雙絞線、多芯線，但雙屏電纜效果會更好。在需要將變頻器與控制操作臺相聯(lián)時，應(yīng)該使用超5類以太網(wǎng)電纜，即便如此，在長度大于3m時還是可能受到擾動。長度較大時，應(yīng)該在電纜兩端使用RS232／RS485轉(zhuǎn)換器，并使用RS485電纜。

2 其它配套設(shè)備

2.1 斷路器

用于在電流故障時自動切斷電源，一臺斷路器后面可以接一臺或多臺變頻器及其它負(fù)載。

2.2 接觸器

用于日常操作通斷和防止電網(wǎng)掉電再來電時變頻器的自啟動，在某些工藝要求較高的場所，接觸器可作為緊急開關(guān)，來可靠的切斷電源，防止事故擴(kuò)大。需要注意的是接觸器在系統(tǒng)中位于變頻器的上部或下部是有區(qū)別的。安裝于上部時，可以將變頻器的事故輸出信號串接于接觸器線圈線路中，變頻器故障產(chǎn)生后，可導(dǎo)致接觸器斷開，從而切斷變頻器的電源，有效的防止事故擴(kuò)大。

安裝于下部時，可以給日常維護(hù)提供某些方便。但變頻器運(yùn)行過程中，假設(shè)在較高頻率時接觸器因故被斷開，而操作工又未能將變頻器恢復(fù)于停止?fàn)顟B(tài)。再次對接觸器進(jìn)行重合閘時，因為變頻器的輸出頻率還處于一個較高的狀態(tài)，則導(dǎo)致電機(jī)被高頻率電流直接起動，這將產(chǎn)生一個很高的起動電流，從而對變頻器產(chǎn)生沖擊，造成永久性損壞。在應(yīng)用中，如果因為某些原因需要將接觸器安裝于下部時，應(yīng)由接觸器的輔助觸點(diǎn)來作為變頻器的緊急停止輸入信號，在接觸器因故斷開時，可以自動將變頻器可靠的處于停止?fàn)顟B(tài)。

2.3 進(jìn)線側(cè)無線電干擾抑制電抗器

用于減少變頻器對外界的無線電干擾，也防止電網(wǎng)上各種干擾和瞬變浪涌干擾到變頻器的控制回路敏感部分而發(fā)生誤動作。

2.4 進(jìn)線側(cè)交流電抗器

用于改善輸入電流波形、提高變頻器壽命，變頻器功率大于45kW時建議采用本設(shè)備。

2.5 直流電抗器

用于改善電容濾波造成的輸入電流波形畸變和改善功率因數(shù)、減少和防止因沖擊電流造成變頻器損壞，變頻器功率大于22kW時建議采用本設(shè)備。

2.6 制動單元與制動電阻

當(dāng)負(fù)荷的慣性較大時，變頻器所拖動的電機(jī)實際上是處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)反饋能量可使變頻器直流母線產(chǎn)生一個極高的電壓，從而造成變頻器的永久損壞。制動單元的作用正是為了防止這種損壞發(fā)生，它把電機(jī)的反饋能量轉(zhuǎn)移到所配套的制動電阻上，由制動電阻將之轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉。變頻器與制動單元的連接電纜線應(yīng)該盡可能的短，最好能在2m以內(nèi)，最大不能超過5m，必須超過5m時，則應(yīng)該采用雙絞線，但極限長度不允許超過10m。因為流過的是直流電流，所選線路的線徑應(yīng)該參考該電纜線的直流截流量選擇。在電機(jī)反饋能量被消耗過程中，制動電阻會產(chǎn)生較高的溫度(100℃左右)，所以在安裝過程中，應(yīng)特別注意使之處于安全位置。同時，因為其產(chǎn)生的高溫，選用制動單元與制動電阻的聯(lián)接線時，最好能選擇耐高溫線纜，其長度也應(yīng)該在10m以內(nèi)。負(fù)荷慣性較大的場合，應(yīng)該選用本設(shè)備。

2.7 輸出側(cè)交流電抗器

其作用是改善變頻器輸出電流波形，使之更接近于正弦交流電壓波形。變頻器的輸出是經(jīng)PWM調(diào)制的電壓波，PWM有著陡峭的電壓上升和下降的前后沿，使得輸出引線向外界發(fā)射含量極大的電磁干擾，并可對電機(jī)繞組造成沖擊。為了減輕其對外界的干擾，降低輸出波形畸變，達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，減少對電機(jī)繞組的電壓沖擊造成絕緣損壞，降低電機(jī)的溫升和噪聲，避免在變頻器損壞，以及降低負(fù)載短路造成對變頻器的損傷，應(yīng)該在變頻器輸出端增設(shè)交流電抗器。

需要指出的是脈沖電壓通過長的輸電線時，由于長線上波的反射疊加使得在長線(電機(jī)電纜)超過臨界長度后，電壓有可能達(dá)到變頻器內(nèi)直流母線電壓的2倍。因此變頻器輸出線長度受到了限制，為解除這種限制，必須接入輸出側(cè)交流電抗器。

2.8 輸出側(cè)無線電干擾抑制電抗器

本文已多次提到變頻器的輸出電纜具有較強(qiáng)的電磁輻射干擾能力，為力求將這種不利于系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素降到最低，可使用特殊的電機(jī)電纜或采用本設(shè)備。電機(jī)電線長度大于20m時建議安裝輸出側(cè)無線電干擾抑制電抗器。

2.9 電機(jī)

普通電機(jī)在使用變頻器時，因變頻器所輸出的PWM波有很高的脈沖前后沿，dv／dt很大，繞阻匝間和對地絕緣很易損壞。因此，應(yīng)選用絕緣質(zhì)量優(yōu)良的電機(jī)產(chǎn)品或?qū)I(yè)的變頻電機(jī)。