變頻器的合理選用及干擾抑制

黃　曙

摘要:變頻器在工礦企業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛,其帶來的問題也日益引起人們的重視。本文主要介紹變頻器在應(yīng)用系統(tǒng)中如何選用及干擾產(chǎn)生的來源及其傳播途徑。提出了抗干擾的實(shí)際解決方法。

關(guān)鍵詞:變頻器;電磁干擾;抑制

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,大功率整流器件的制造工藝得到了進(jìn)一步發(fā)展,變頻器的發(fā)展日新月異,在工礦企業(yè)變頻器得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用變頻器有四大優(yōu)點(diǎn):

第一可滿足調(diào)速的工藝要求,變頻調(diào)速器的調(diào)速范圍均在10:11以上。

第二便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,由于變頻器本身是由1個(gè)16(或32)位微處理器所控制,設(shè)有RS485(或422)、A/D輸入、D/A輸出接口,為自動(dòng)控制創(chuàng)造了充分條件。

第三獲得可觀的節(jié)能效果,如在較大功率(15KW以上)風(fēng)機(jī),泵類的應(yīng)用中尤為明顯,可節(jié)能20%以上。

第四降低維修工人勞動(dòng)強(qiáng)度,由于調(diào)速系統(tǒng)整體可靠性高、故障低、維修周期長(zhǎng),可減輕有關(guān)維修人員工作量。我公司從2000年開始大量采用變頻器調(diào)速技術(shù),在制漿造紙等設(shè)備上應(yīng)用,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn),下面談?wù)勛冾l器的合理選用及干擾抑制:

1變頻器的合理選用

變頻器的選用,應(yīng)按照被控對(duì)象的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等來考慮,使之在滿足工藝和生產(chǎn)要求的同時(shí),既好用、又經(jīng)濟(jì)。

1.1變頻器及被控制的電機(jī)

電機(jī)的極數(shù),一般電機(jī)極數(shù)以不多于4極為宜,否則調(diào)速意義不大;轉(zhuǎn)矩特性,臨界轉(zhuǎn)矩,加速轉(zhuǎn)矩。在同等電機(jī)功率情況下,相對(duì)于高過載轉(zhuǎn)矩模式,變頻器規(guī)格可以降格選取。

電磁兼容性。為減少主電源干擾,在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抭器,或安裝前置隔離變壓器,一般當(dāng)電機(jī)與變頻器距離超過50米時(shí),應(yīng)在它們中間串入電抗器,濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。

下表列出不同類型變頻器的主要性能及應(yīng)用場(chǎng)合。

1.2變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用

變頻器的箱體結(jié)構(gòu)要與條件相適應(yīng),必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素,有以下幾種常見結(jié)構(gòu):

敞開型IP00型:本身無機(jī)箱,可裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏盤架上,尤其適用于多臺(tái)變頻器集中使用時(shí)選用,但環(huán)境條件要求較高。

封閉型IP20型:適用于一般用途,可有少量粉塵或少許濕度的場(chǎng)合。

密封型IP45型:適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件較差的環(huán)境。

密閉型IP65型:適用于環(huán)境條件較差,有水、灰塵及一定腐蝕性氣體的場(chǎng)合。

1.3變頻器功率的選用

必須注意變頻器負(fù)載率及效率的關(guān)系,系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積,從效率角度出發(fā),在選用變頻器功率時(shí),要注意以下幾點(diǎn):

變頻器功率與電動(dòng)機(jī)功率相當(dāng)時(shí)為最合適,以利于變頻器在高效率狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。在變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí),則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率,并且應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬頻繁啟動(dòng),制動(dòng)工作或處于重載啟動(dòng)且較頻繁時(shí),可選取大一級(jí)的變頻器,以利于變頻器長(zhǎng)期安全地運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試,電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確有富余,可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器,但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì)造成過電流保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí),則必須相應(yīng)調(diào)整變頻器參數(shù)的設(shè)置,以利于達(dá)到較高的節(jié)能效果。

1.4變頻器容量的確定

合理的容量選擇本身就是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用,比較簡(jiǎn)便的有三種方法:

電機(jī)實(shí)際功率確定法:首先測(cè)定電機(jī)的實(shí)際功率,以此為基礎(chǔ)來選用變頻器的容量。

公式法:設(shè)安全系數(shù)取1.05,則變頻器的容量

Pb=1.05Pm/ηm×cosφ (KW)

式中Pm為電機(jī)負(fù)載,ηm為電機(jī)效率,計(jì)算出Pb后,按變頻器產(chǎn)品目錄可選用具體規(guī)格。

當(dāng)一臺(tái)變頻器用于多臺(tái)電機(jī)時(shí),至少要考慮一臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的影響,以避免變頻器過流跳閘。電機(jī)額定電流法。變頻器容量選定過程,實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機(jī)的最佳匹配過程,最常見,也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率,但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功率相差多少,通常都是設(shè)備所選能力偏大,而實(shí)際需要的能力小,因此按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的,避免選用的變頻器過大,使投資增大,對(duì)于輕負(fù)載類,變頻器電流一般應(yīng)按1.1In(In為電機(jī)額定電流)來選擇,或按廠家在產(chǎn)品中標(biāo)明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機(jī)功率來選擇。

2變頻器應(yīng)用中的抗干擾措施

變頻器在應(yīng)用中的抗干擾主要表現(xiàn)在:高次諧波,噪聲與振動(dòng)、負(fù)載匹配,發(fā)熱等問題,這些干擾是不可避免的,因?yàn)樽冾l器的輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,它們都是由起開關(guān)作用的非線性元件組成的,而在開、斷電路的過程中,都要產(chǎn)生高次諧波,從而使其輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形產(chǎn)生畸變,下面針對(duì)諧波問題進(jìn)行分析并提出相應(yīng)措施高次諧波的危害性較大,高次諧波的干擾,可以影響到設(shè)備和檢測(cè)元件,嚴(yán)重時(shí)可能使這些設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作,根據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)告,各種對(duì)象對(duì)高次諧波的敏感程度如下:電動(dòng)機(jī)在10--20%以下無影響,儀表電壓畸變10%,電流畸變10%,誤差在1%以下;電子開關(guān)超過10%會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作,計(jì)算機(jī)超過5%會(huì)出錯(cuò)。簽于以上情況在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),必須采取措施降低干擾,把干擾抑制在允許范圍內(nèi)。

2.1切斷干擾的傳播途徑

干擾的傳播常通過使用的接地線傳播,將動(dòng)力線的接地與控制線的接地分開是切斷這一途徑的根本方法。

信號(hào)線靠近有干擾的導(dǎo)線時(shí),干擾會(huì)被誘導(dǎo)到信號(hào)線上,使信號(hào)受到干擾,布線分離對(duì)消除這種干擾行之有效,實(shí)際電纜鋪設(shè)中需把高壓電纜,動(dòng)力電纜、控制電纜常常與儀表電纜、計(jì)算機(jī)電纜分開布線,分開走不同的橋架,變頻器的控制線也最好與主回路線路以垂直方式布線。

2.2抑制高次諧波

在變頻器前側(cè)安裝線路電抗器,可抑制電源側(cè)過電壓,并降低變頻器產(chǎn)生的電流畸變,避免使主電源受到嚴(yán)重干擾。在變頻器前加裝LC無源濾波器,濾掉高次諧波,通?？蔀V掉5次和7次諧波,該方法完全取決于電源和負(fù)載,靈活性小。當(dāng)設(shè)備的附近環(huán)境受到電磁干擾時(shí),應(yīng)裝設(shè)抗射頻干擾濾波器,可減少主電源的傳導(dǎo)發(fā)射,且要采取措施屏蔽電機(jī)電源。當(dāng)電機(jī)與變頻器電纜長(zhǎng)度大于50米或80米(非屏蔽)時(shí),為了防止電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)過電壓,減少電機(jī)對(duì)地的泄漏電流和噪聲,保護(hù)電動(dòng)機(jī),在變頻器與電機(jī)之間安裝電抗器。采用變壓器多相運(yùn)行,通用變頻器為六脈波整流器,因此產(chǎn)生的諧波較大,如果采用變壓器多相運(yùn)行,使相位角互差300,如Y-△、△-△組合的變壓器構(gòu)成12脈波的效果,可減少低次諧波電流,很好地抑制諧波。

變頻系統(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立,或在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器,增斷諧波電流。

3案例

一臺(tái)ABB(Acs601)變頻器安裝調(diào)試時(shí),當(dāng)頻率上升(自動(dòng)狀態(tài))時(shí),電機(jī)發(fā)出異常嘯叫聲,而且升速非常緩慢,此變頻器從0Hz上升至50Hz所需時(shí)間設(shè)定為15s,而此時(shí)從0Hz在上升至40Hz就需要122s。當(dāng)頻率上升至4lHz時(shí),變頻器突然停止,再啟動(dòng),又重復(fù)上述現(xiàn)象。在頻率為40Hz時(shí),用萬用表測(cè)量變頻器端子(U2、V2、W2)電壓為702V,測(cè)主電源端子電壓為380V。初步判斷為電磁干擾故障。在電機(jī)電纜中串聯(lián)電抗器,故障消失。

一臺(tái)ABB(Acs601)變頻器安裝調(diào)試時(shí),其周圍的電器儀表數(shù)據(jù)顯示異常,說明對(duì)周圍的電器儀表產(chǎn)生了干擾。首先檢查電磁干擾接地,重新搭接接地線(清除殼體油漆)又將電機(jī)電纜屏蔽層兩端分別接在變頻器和電機(jī)末端的PE端子上,變頻器正常工作,異常現(xiàn)象消失。

參考文獻(xiàn)

[1]杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù),中國(guó)電力出版社2002.

[2]王占奎.交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用例集,科學(xué)出版社1995.

作者簡(jiǎn)介:黃曙 1962、7、男、漢族,大學(xué)本科學(xué)歷,工程師,從1990年起長(zhǎng)期從事機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化控制研究工作。