變頻器應用中問題分析及對策思考

葉小平

(重慶云天化天聚新材料有限公司,重慶 401221)

1 現狀和存在的問題

目前，變頻器在各行業中使用非常普遍，品牌也非常多，如ABB、西門子、施耐德、單福斯、富士、三菱、匯川、森蘭、南海華騰、偉創等等國內外品牌變頻器；雖然變頻器品牌很多，但均是采用整流逆變原理；使用中出現的問題也類似，我們這里先對變頻器出現過一些問題進行簡單的描述：

(1)在變頻器的使用中，我們發現一些接在變頻器前端的設備受到變頻器的干擾，如某小區電梯，使用的是安川Varispeed G7變頻器，電梯照明采用變頻器開關進線端取電源，使用中發現，照明燈及電子鎮流器損壞非?？?，更換頻率特別高。

(2)電機設備出現劇烈震動，在一些變頻調速場所，多次出現電機設備劇烈震動現象。

(3)電機在運行中電磁聲音過大，嘯叫現象。

(4)電機正常運行沒發現什么問題，但是卻出現運行過程中停不下來情況。

(5)電機現場操作柱指示燈出現過運行中兩個指示燈均亮情況。

(6)電機使用中出現燒壞情況，檢查發現電機軸承與定子之間有拉弧現象。

2 現狀分析及處理方法

2.1 變頻器干擾情況分析及處理

通過對上一節變頻器問題(1)這一系列情況進行檢查分析，我們發現：燈、電子鎮流器和線路均無任何質量問題，后在電氣人員建議下，更換照明設備的品牌，但情況仍然沒有得到改善。

事實上，我們對變頻器進行簡單分析便會發現，變頻器工作原理是通過把交流整流成直流再逆變成交流來完成工作的(如圖1所示)。

圖1 交-直-交變頻器框圖

在變頻器運行過程中，會產生大量的諧波，據相關檢測數據統計，5次諧波和7次諧波的諧波分量分別是 50Hz基波的80%和70%；這些諧波嚴重影響變頻器前后端運行設備(如圖2所示)。

圖2 輸入電流的波形及其諧波分析

變頻器運行過程中的這些高次諧波將干擾輸入供電系統，在問題(1)中，雖然電梯照明電源接在變頻器前端開關，電源并沒有在變頻器上取，但由于變頻器前端并沒有安裝濾波裝置和抗干擾裝置，變頻器運行所產生的高次諧波仍然會干擾到它前面所接的設備，從而影響到照明燈及電子鎮流器壽命；使照明燈及電子鎮流器損壞非?？?，造成相應的經濟損失和電氣人員的工作量。

解決方法是將照明系統轉接至不被變頻器干擾的電源上或者轉接至隔離干擾的電源系統中,這樣就可以大大提高照明燈及電子鎮流器的壽命。

2.2 變頻電動機震動情況分析及處理

在對變頻器問題(2)電機震動現象檢查分析中，大家可能遇到過這樣的情況，當電動機脫開負載后仍然會出現震動，排除機械造成的可能，后對電機進行檢查，電機也完好無損，最后通過對變頻器原理進行分析，我們會發現，電動機震動主要由三個原因造成，即三相輸出不平衡、諧振和變頻器壓頻比預置不當(如圖3所示)。

圖3 振動的原因

在變頻器調頻控制中，當電動機在某一特定轉速(或頻率)運行時，可能會出現諧振，對于這種情況，我們可以通過調整頻率(跳頻點)進行排除；當頻率調整出諧振頻寬時，震動會自動消失；具體方法可參考施耐德變頻器(如圖4所示)。

圖4 變頻器避免諧振的跳頻跳頻設置參數

三相輸出電壓不平衡也是可以通過測量手段判斷的。這個問題相對比較簡單，通過測量輸出電壓不平衡值便可以找出問題。

壓頻比預置不當，這種情況在變頻調速中也有遇到，但大多數人均沒找到原因和解決辦法，以施耐德Atv61型變頻器為例，在電動機控制模式共有6種(如圖5所示)。

圖5 施耐德變頻器控制模式

電機控制通常在不同的情況下選用不同的控制模式，我們在選擇變頻器控制電機時，往往電機設備額定功率都比變頻器額定功率低，選擇的控制類型也為節能控制方式，即不需要高動態性能的可變轉矩應用控制。當我們發現電機出現振動，找不到其他原因時，可以嘗試改變控制模式，例如將控制類型改為5點壓頻比(UF2)控制(5 點 V/F 控制模式：與 2 點 V/F 控制模式一樣，支持避免諧振(飽和)，此控制模式不但支持電機額定功率比變頻器額定功率低的設備運行，而且支持繞線轉子、錐形轉子及高速電機運行，還能避免諧振，通過更改控制模式后，我們往往會發現電機振動消失了，運行也平穩了。

2.3 電機電磁聲音過大，嘯叫現象分析及處理

對于變頻器問題(3)電機在運行中電磁聲音過大，囂叫現象，屬于變頻器所產生的高次諧波電流在電動機內產生的電磁噪聲，使得電動機鐵耗和銅耗增加現象，這不但影響電動機正常運行，而且嚴重影響電動機壽命；這種情況在變頻電機中遇到得比較多，解決方法如下：

2.3.1 調整變頻器開關頻率

變頻器在正常運行時，一般IGBT的開關頻率為4kHz，若變頻器連接的電機質量比較好，理論上是聽不到高頻嘯叫的。但是，如果連接電機質量較差，也可能聽到嘯叫，此時建議適當提高一下IGBT的開關頻率。

目前，大多數變頻器均有開關頻率參數這一選項，以施耐德ATV630變頻器為例(見圖6)。

圖6 變頻器開關頻率調整

適當調整開關頻率，會發現嘯叫聲變小，當然，這與電機的質量、氣隙有很大關系，調整開關頻率不一定能完全消除噪音。

2.3.2 調整抑制噪音參數

現在的各類變頻器，大多數都有抑制噪音參數，只需要將此參數調出來，改為“抑制”或“是”即可，例如施耐德ATV630變頻器(見圖7)。

圖7 變頻器噪音抑制設置

2.4 變頻器對控制系統干擾及處理

前面進行過簡單的分析，變頻器在運行中會產生大量的高次諧波，這些諧波不但會干擾控制系統和運行設備，還會干擾臨近的用電系統。事實上問題(4)和(5)則屬于電磁感應耦合現象，雖然操作柱電源并沒有經過變頻器，但電磁感應耦合產生的感應電壓或電流嚴重干擾了控制回路，致使控制回路不能正常運行。

解決方法是采用干擾隔離和抑制，在通常情況下，我們可采用以下方法：

(1)用隔離變壓器進行干擾隔離

用隔離變壓器把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發生電的聯系。在變頻調速中，通常是電源和其他電子電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾,這種情況目前得到了廣泛的應用，特別是電梯行業，基本都采用了這種方式，用隔離變壓器將變頻調速系統與平層、安全控制系統及輔助控制系統進行隔離，以保證電梯安全、平穩、正常運行，并將轎箱照明電源轉接至隔離系統內用獨立的開關來控制，以確保這部分系統不受干擾。

(2)采用輸入輸出濾波器濾波

大家知道，變頻器在整流、逆變過程中，會產生大量的諧波，這些諧波對控制系統和運行設備影響很大，濾波器的功能是削弱高頻諧波電流(線路濾波器);吸收具有輻射能量的高頻諧波分量(輻射濾波器);以減小諧波對用電系統的干擾。當然,目前許多變頻器都帶有(內置)輸入輸出濾波器,一定程度上提高了抗干擾能力。

(3)采用電抗器

在變頻器輸出端加電抗器可以抑制變頻器輸出端的低次諧波,提高用電系統的功率因素。

3 結論

通過對變頻器應用過程中經常出現的一些問題進行分析，提出解決這些問題的實際對策及方法，希望對大家今后的工作提供一定的借鑒作用，為變頻調速系統問題分析、解決及工程施工提供參考。