現(xiàn)代變頻器技術(shù)分析

　　通用變頻器以其智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞，但隨著通用變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，暴露出一些問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文進(jìn)行了分析并提出了對(duì)策。
　　
　　一、諧波問(wèn)題及其對(duì)策
　　
　　通用變頻器的主電路形式一般由整流部分、逆變部分和濾波部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形。由于通用變頻器的整流部分采用二極管不可控橋式整流電路，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，所以整流器的輸入電流實(shí)際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。為了消除諧波，可采用：
　　1、增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗。通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無(wú)功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對(duì)變頻器容量越小時(shí)，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量越?。浑娫慈萘肯鄬?duì)變頻器容量越大時(shí)，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量越大。所以最好選擇短路阻抗大的變壓器。
　　2、安裝電抗器。安裝電抗器實(shí)際是從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)安裝交流電抗器或在變頻器的直流側(cè)安裝直流電抗器，或同時(shí)安裝，抑制諧波電流。
　　3、變壓器多相運(yùn)行。通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大。如果應(yīng)用變壓器的多相運(yùn)行，使相位角互差30°。如Y-△、△-△組合的兩個(gè)變壓器構(gòu)成相當(dāng)于12脈波的效果，則可減小低次諧波電流28%，起到諧波抑制作用。
　　4、調(diào)節(jié)變頻器的載波比。只要載波比足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制，特別是參考波幅值與載波幅值小于1時(shí)，13次以下的奇數(shù)諧波不再出現(xiàn)。
　　5、專(zhuān)用濾波器。專(zhuān)用濾波器用于檢測(cè)變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流幅值相同但相位正好相反的電流，通到變頻器中，吸收諧波電流。
　　
　　二、負(fù)載匹配問(wèn)題及其對(duì)策
　　
　　生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩特性大體分為三種類(lèi)型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載和恒功率負(fù)載。針對(duì)不同的負(fù)載類(lèi)型，應(yīng)選擇不同類(lèi)型的變頻器。
　　1、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩均保持恒定。而恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載又分為摩擦類(lèi)負(fù)載和位能式負(fù)載量?jī)煞N。
　　2、風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載。風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載是目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的設(shè)備，雖然泵和風(fēng)機(jī)的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用為主，通用變頻器在這類(lèi)負(fù)載上的應(yīng)用最多。這類(lèi)負(fù)載對(duì)變頻器的性能要求不高，只要求經(jīng)濟(jì)性和可靠性，所以選擇具有U/f=const控制模式的變頻器即可，如三菱變頻器FR-F540（L）系列。風(fēng)機(jī)負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，所以變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。
　　風(fēng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算是非常重要的。變頻器具體設(shè)計(jì)時(shí)，按計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行適當(dāng)修正，在變頻器起動(dòng)時(shí)不發(fā)生過(guò)流跳閘和變頻器減速時(shí)不發(fā)生過(guò)電壓跳閘的情況下，選擇最短時(shí)間。而泵類(lèi)負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，容易發(fā)生喘振、憋壓和水垂效應(yīng)，所以變頻器選型時(shí)，要選擇適于泵類(lèi)負(fù)載的變頻器，且變頻器在功能設(shè)定時(shí)要針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。
　　3、恒功率負(fù)載。恒功率負(fù)載是指轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)速成反比的負(fù)載，如卷取機(jī)、開(kāi)卷機(jī)等。就一定的速度變化范圍而言的，利用變頻器驅(qū)動(dòng)恒功率負(fù)載時(shí)，通?？紤]在某個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在高于該轉(zhuǎn)速點(diǎn)時(shí)才采用恒功率調(diào)速方式。通常將該轉(zhuǎn)速點(diǎn)稱為基頻，而該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓為變頻器輸出額定電壓。
　　
　　三、發(fā)熱問(wèn)題及對(duì)策
　　
　　變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。對(duì)變頻器進(jìn)行散熱，通常采用：
　　1、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，就立即停止變頻器運(yùn)行。
　　2、降低安裝環(huán)境溫度。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求在-10℃到-50℃之間，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運(yùn)行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長(zhǎng)，性能也比較穩(wěn)定。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題可采取兩種方法：一是建造單獨(dú)的變頻器低壓間，內(nèi)部安裝空調(diào)，保持低壓間溫度在+15℃到+20℃之間；二是變頻器的安裝空間要滿足變頻器使用說(shuō)明書(shū)的要求。
　　以上所談到的變頻器發(fā)熱是指變頻器在額定范圍之內(nèi)正常運(yùn)行的損耗。當(dāng)變頻器發(fā)生非正常運(yùn)行（如過(guò)流，過(guò)壓，過(guò)載等）產(chǎn)生的損耗時(shí)，必須通過(guò)正常的選型來(lái)避免此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。
　　對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載，以三菱變頻器FR-F540為例，當(dāng)變頻器相對(duì)于其額定負(fù)載的120%過(guò)載時(shí)，其持續(xù)時(shí)間為60秒，并且在300秒之內(nèi)不允許出現(xiàn)第二次過(guò)載。當(dāng)變頻器出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，功率單元因其流過(guò)的過(guò)載電流而升溫，導(dǎo)致變頻器過(guò)熱，這時(shí)必須盡快使其降溫以使變頻器的過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作消除，這個(gè)冷卻過(guò)程就是變頻器的過(guò)載周期。不同的變頻器，其過(guò)載倍數(shù)、過(guò)載時(shí)間和過(guò)載周期均不相同，并且其過(guò)載倍數(shù)越大，過(guò)載時(shí)間越短。
　　對(duì)于變頻器所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，按其工作情況可分為兩類(lèi)：長(zhǎng)期工作制和重復(fù)短時(shí)工作制。長(zhǎng)期工作制的電機(jī)可以按其名牌規(guī)定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行。針對(duì)該類(lèi)負(fù)載，變頻器可根據(jù)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)進(jìn)行選型，如連續(xù)運(yùn)行的油泵，若其電機(jī)功率為22kW時(shí)，可選擇FR-F540-22k變頻器即可。重復(fù)短時(shí)工作制電機(jī)，其特點(diǎn)是重復(fù)性和短時(shí)性，即電機(jī)的工作時(shí)間和停歇時(shí)間交替進(jìn)行，而且都比較短，二者之和，按國(guó)家規(guī)定不得超過(guò)60秒。重復(fù)短時(shí)工作制電機(jī)允許其過(guò)載且有一定的升溫。此時(shí)，若根據(jù)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)來(lái)選擇變頻器，勢(shì)必造成變頻器的損壞。針對(duì)該類(lèi)負(fù)載，變頻器在參考電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的情況下要根據(jù)電機(jī)負(fù)載圖和變頻器的過(guò)載倍數(shù)、過(guò)載時(shí)間、過(guò)載周期來(lái)選型。如重復(fù)短時(shí)運(yùn)行的升降機(jī)，其電機(jī)功率為18.5kW，可選擇FR-A540-22k變頻器。
　　通過(guò)對(duì)通用變頻器運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題的分析，提出了解決這些問(wèn)題的實(shí)際對(duì)策，隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器存在的這些問(wèn)題有望通過(guò)變頻器本身的功能和補(bǔ)償來(lái)解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和社會(huì)環(huán)境對(duì)變頻器的要求不斷提高，滿足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器也會(huì)不久面世。
　　（作者單位：黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）