通用變頻器在船閘電機拖動中的應用與維護研究

覃露

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

在工業自動化日趨發達的今天，變頻器由于具有卓越的調速、節能以及保護功能，被越來越多的電機拖動場合應用。隨著系統設備不斷的升級改造，樞紐船閘的電機拖動系統也基本應用了變頻器，其能實現設備軟啟動、平滑加減速、停機和各類保護等功能，大幅地提升了船閘設備的運行效率和安全穩定。

1 通用變頻器的基本概念

按照用途將變頻器可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等，而通用變頻器一般指PWM 型交-直-交變頻器，其由主電路和控制電路組成，主電路包含整流電路、中間直流電路、逆變電路三部分，其中中間直流電路又由電源再生單元、限流單元、濾波器、制動電路、電源檢測電路等組成。控制電路由中央處理器（cpu）、數字信號處理器（dsp）、交直流轉換電路、通信接口、信號檢測、操作面板、控制電源等組成。基本電路示意圖如下：

圖1

2 變頻器的選擇

在高水頭船閘中常見的運用變頻器控制電動機來進行調速和啟動停止的系統一般為帶減速箱的人字閘門、帶卷揚機的門橋式事故檢修門和活動橋、長軸深井泵等，因其負載特性不同，故在變頻器的選擇和應用上也不盡相同，一般遵循以下幾個原則。

2.1 容量選擇

通用變頻器的容量要依據所控制電動機的一般船閘都是一臺變頻器控制一臺電動機，此條件下變頻器容量計算公式如下所示：

式中PCN變頻器額定容量（KVA），ICN變頻器的額定電流(A)，PM電動機的輸出功率，電動機效率（一般取0.85），電動機的功率因數（三相異步電動機一般取0.85），電動機額定電壓，IM電動機工頻電源時電流，K 電流波形的修正系數（PWM 型變頻器一般取1.05～1.1）。

要注意的是在環境溫度高、海拔高、控制高速電機以及轉矩波動大有功率峰值的負載時都要適當放大一檔選擇變頻器容量。

2.2 負載類型的選擇

在變頻器控制調速的電機拖動系統中，按機械負載特性一般分為恒轉矩負載、恒功率負載、二次方率負載三種，在不同的轉速n 下，負載的轉矩T 變化趨勢不同，三種方式的機械特性曲線如下。

圖2 恒轉矩負載

圖3 二次方率負載

圖4 恒功率負載

在一般船閘的人字門閘門、門橋式事故門等在運轉過程中負載變化較小，所以均選擇恒轉矩負載型通用變頻器，而長軸深井泵因其自身機械結構不允許在低頻下運轉，其轉速不夠會造成泵葉懸浮不起來托盤和泵葉損壞，因此也選擇恒轉矩負載型變頻器。

2.3 控制方式的選擇

通用變頻器一般有四種控制方式即V/f 恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制。其中V/f 恒定控制和矢量控制應用范圍廣，應用場合較多。而V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保持一定，可以有效避免弱磁和磁飽和現象，在較寬的調速范圍內，電動機的效率，功率因數不下降，但是因為其低速時轉矩輸出能力低，不能保證其恒轉矩特性的穩定性，其大多用于風機泵類等二次方負載。

矢量控制在電壓和頻率控制的基礎上，加上了相位控制，同時可以根據反饋的電流結合電機參數，實時計算出轉子位置并求出轉速，理論上可以做到同樣的電流下產生的轉矩最優，從而減小電機負載變化時的瞬態過程，利用電機參數對轉速進行瞬時補償，進一步優化了控制性能。矢量控制力矩大適用于重負荷的場合及低頻要保證力矩的應用，因此在船閘電機拖動中多用矢量控制，需要注意的是矢量控制一臺變頻器只能控制一臺電動機。

3 變頻器的安裝

（1）安裝環境。變頻器的安裝場所基本要求是通風、少濕、少振動、無腐蝕及無粉塵。

（2）EMC 規則。在采用變頻器調速的系統中，電源側和電機側都會產生諧波干擾，對電網和變頻器周圍其他設備產生EMC 干擾，為有效地抑制電磁波的輻射和傳導，將變頻器EMC 影響減小到最低，采用變頻器調速的系統接線非常的重要。其中控制電纜應選用屏蔽電纜，動力電纜應選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。電機電纜應獨立于其它電纜走線，變頻器和電機的距離應該盡量地短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發射源，其最小距離為500mm。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關的模擬量信號線與主回路線分開走線。變頻器控制柜內器件要確保接地良好，要注意的是連接到變頻器的控制設備要與其共地，最好采用像金屬網類似的在高頻時阻抗較低的扁平導體。電動機的電纜地線也應該直接連接到相應變頻器的接地端子。此外一般應該在變頻器輸入輸出端加裝電抗器，以抑制變頻器對電網及周邊設備的干擾，同時抑制輸出高頻諧波，減少電機軸承的感應電壓，對電機軸承起到保護作用。

4 變頻器的設置

（1）加減速時間設置。為實現系統平穩的啟停，用低頻啟動降低啟動電流的同時減小對系統機械設備的沖擊，所以變頻器調速的加速是增加輸出頻率來實現加速的，因此需要設置一個加速時間，即從啟動頻率加速到額定頻率的時間，加速過程中必須處理好加速快慢和拖動系統慣性的矛盾，從提高生產率的角度加速時間越短越好，但由于拖動系統的慣性，頻率上升太快，電動機的轉子轉速將跟不上同步轉速的上升，轉差增大，引起加速電流增大，可能超過限值而引起變頻器跳閘，因此應在防止加速電流過大的前提下盡可能縮短加速過程。減速過程中，頻率降低瞬間，電動機轉子轉速大于同步轉速，轉差增大，電動機處于發電狀態，也成了再生制動狀態，變頻器直流電路的泵升電壓升高，需要制動能耗電阻消耗放電，增大引起再生直流和泵升電壓升高，超過限值后導致變頻器過電流或者過電壓故障跳閘，因此減速時間設置也應該在防止減速電流過大和泵升電壓過高的前提下盡可能縮短。一般高水頭船閘電機拖動系統中變頻器的加速時間均設置為3s，減速時間為1.5s，可以較好地實現平滑加速減速過程。

（2）電機參數整定。變頻器矢量控制系統的性能受電機參數影響很大，如果電機參數不準確就將不能獲得優良的調速性能，影響變頻器、電機負載及現場生產。因此使用正確的電機參數和進行參數的自整定是應用矢量控制的基礎。電機自整定需要注意的是，一定要接電動機，且電機沒有溫升，要正確輸入電機銘牌參數到變頻器。如果變頻器輸出側接有接觸器，在做自整定之前，一定要將接觸器吸合。

（3）其他設置。其他設置包括給定通道設置、宏配置、電機熱保護電流值、高速頻率值、低速頻率值等等，都根據實際情況進行配置。

（4）系統調試。在變頻器參數都設置完成后，還應帶負載進行實驗，主要觀察電機旋轉方向是否正確，加減速時電流是否相對平穩，直流電流是否過高，加減速時間是否設置正確，設備的動態響應是否達到要求，變頻器的運行電流是否在要求范圍內，容量選擇是否正確。

5 變頻器的日常維護保養與典型故障處理

5.1 日常維護

變頻器的日常維護主要是盡早發現異常現象、排除隱患、清潔除塵、緊固檢查等，包括不停止運行和不拆卸蓋板進行通電和運行實驗，通過目測運行狀況是否正常，包括顯示面板是否正常，有無報錯，風扇是否運轉正常，有無振動。觀察相關電纜是否過熱、變色、變形、異味等異常現象。觀察整個控制系統外觀清潔，是否積塵，各鏈接器件、電纜是否有松動等現場。

5.2 定期檢查測量

定期檢查主要是日常檢查難以發現問題的地方，切斷電源、停止運行后進行，需要注意的是通用變頻器斷電后主回路濾波電容上仍有較高的充電電壓，需要放電5—10 分鐘，等待充電指示燈熄滅后進行。典型的檢查項目一般包括，內部清潔、電容器檢查、控制電路板檢查、緊固檢查、主回路控制回路絕緣電阻測定等。

5.3 典型故障處理

過流保護故障。一般原因有以下幾種，一是電動機遇到沖擊負載或者傳動機構卡阻，二是變頻器輸出側短路，三是變頻器加速或者減速時間設置太短，四是變頻器本身故障，處理方法為逐項檢查即可。

過電壓故障。即直流母線電壓過高，常見原因一是電源電壓過高，二是制動力矩不足，三是減速時間設置太短，四是電動機突然甩負載，五是機械負載慣性過大等。

欠電壓故障。一般原因為電源電壓偏低、缺相、同一系統中有大啟動電流負載啟動，或者變頻器內部故障。

變頻器過熱故障。一般原因為負載過大、環境溫度過高、散熱不正常、內部熱傳感器故障。

過載故障。一般原因為負載過大、容量偏小、熱保護值設定偏小等原因。

6 結語

不同品牌的變頻器選型和設置方式及數值都各不相同，同時變頻器在現場實際運行中受到的影響因數不盡相同，故障原因也千差萬別，同樣的故障可能由不同原因引起，同樣的原因可能引起不同的故障，所以在船閘電機拖動中應該針對實際應用場景，負載特性，調速需求等具體分析選擇，并在日常維護保養中嚴格按照品牌的說明書進行，才能真正地把通用變頻器用好，且保證電機拖動系統安全穩定。