低壓變頻器的選型與應(yīng)用

唐龍慶 王健

摘 要：本文簡要闡述了變頻器發(fā)展現(xiàn)狀，對低壓變頻器的分類、工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和負(fù)載類型，詳細(xì)論述了低壓變頻器的選型及應(yīng)用方法，并對變頻器幾種常見的故障及處理方式進(jìn)行介紹，有利于電氣技術(shù)人員理解和掌握低壓變頻器的使用和故障處理，提高裝置運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：低壓變頻器 選型 應(yīng)用

0 引言

我國已有30年的變頻器應(yīng)用歷史，市場規(guī)模逐年擴(kuò)大，國內(nèi)外品牌多達(dá)140種[1]，同時(shí)全國各地還有多家新成立的變頻器生產(chǎn)廠家和經(jīng)銷商。但是在實(shí)際應(yīng)用中外資品牌變頻器所占份額相對較大，其中歐美品牌和日本品牌所占比例突出，隨著科技的不斷進(jìn)步，變頻器的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展需求量逐年遞增，我國人才儲備及相關(guān)技術(shù)日趨成熟，相信會在未來變頻器市場中奪得一席之地。

利用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)，其性能已經(jīng)達(dá)到或超過直流調(diào)速系統(tǒng)，而變頻器更是具有體積小，噪聲小及可以使用成本低、易維護(hù)的異步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，從而極大簡化生產(chǎn)流程，降低初期投資成本?？傮w來看，變頻器的合理使用可以提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動化程度，同時(shí)還可以節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。

1低壓變頻器分類、工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 低壓變頻器分類

對變頻器的分類有不同的標(biāo)準(zhǔn)，按是否通用劃分，變頻器可以分為通用型變頻器和專用型變頻器;按工作原理劃分，變頻器可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，其中交—直—交變頻器按主回路工作方式還可以分為：電流型和電壓型變頻器[2];另外，從變頻器技術(shù)的發(fā)展方向，可分為VVVF變頻器、矢量變頻器，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器等。

1.2 低壓變頻器工作原理

通用變頻器一般采用交—直—交的工作方式，相對來講，低壓變頻器應(yīng)用得最為廣泛，技術(shù)成熟，成本低、易維護(hù)是其得到大量應(yīng)用的主要原因。變頻器的工作原理，簡單來說，就是將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電源設(shè)備，根據(jù)交流電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速N=60f/p（式中，N為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，P為電機(jī)極對數(shù)）這一公式，只要改變頻率，就可以改變交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器就是根據(jù)這一原理研制開發(fā)出來的電源變換裝置。

1.3 低壓變頻器結(jié)構(gòu)

變頻器的主電路構(gòu)成：

電壓型：電壓電源從直流變?yōu)榻涣鞯淖冾l器，回路濾波為電容。

電流型：電流電源從直流變?yōu)榻涣鞯淖冾l器，回路濾波為電感。

變頻器主要由以下四部分構(gòu)成：

（1）整流器：目前使用較多的是二極管變流器，將工頻電源變?yōu)橹绷麟娫?，也可以?gòu)成可逆變流器。因?yàn)槠涔β实姆较蚩赡妫钥稍偕\(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）平波回路：經(jīng)整流器整流過的直流電壓存在脈動電壓，為電源頻率的6倍。為抑制電壓波動，需用電容和電感對脈動電壓（即電流）進(jìn)行吸收。裝置容量較小時(shí)，若構(gòu)成器件有余量，則可以直接采用平波回路。

（3）逆變器：逆變器是將直流功率轉(zhuǎn)為交流功率，從而在固定時(shí)間內(nèi)得到三相輸出。

（4）控制電路：為異步電機(jī)供電的主電路提供信號控制的回路。包括電壓和頻率的運(yùn)算電路、主電路電流電壓檢測回路、電機(jī)速度檢測回路、可將控制信號放大的運(yùn)算電路的驅(qū)動電路、電機(jī)和逆變器的保護(hù)回路。

2 低壓變頻器選型

2.1 低壓變頻器選型概述

目前，大多用戶均根據(jù)變頻器生產(chǎn)廠家的說明書或選型手冊進(jìn)行選型。通常，變頻器生產(chǎn)廠家會提供變頻器額定電流，可配用電機(jī)的額定功率和額定容量。其中可配用電機(jī)的參數(shù)均為變頻器生產(chǎn)廠家根據(jù)本廠家或國家標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)給出，不能真實(shí)反映變頻器帶負(fù)載的能力，因此，選擇變頻器時(shí)一定以電機(jī)額定電流不超過變頻器額定電流為原則，以生產(chǎn)廠家提供的可配用電機(jī)的參數(shù)為參考。另外，選擇變頻器時(shí)還應(yīng)了解工藝情況和電機(jī)有關(guān)參數(shù)，并注意電機(jī)的類型和工作特性。

（1）變頻器額定電流的選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，為保證變頻器的安全可靠運(yùn)行，變頻器的額定電流一定要大于所帶負(fù)載（電機(jī)）的額定電流，特別是對于負(fù)載性質(zhì)經(jīng)常變化的電機(jī)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，變頻器額定電流為1.05倍及以上電機(jī)額定電流為宜。

（2）變頻器額定電壓的選擇。變頻器額定電壓按變頻器輸入側(cè)母線電壓選擇。原則上，變頻器額定電壓需與輸人電壓一致，輸人電壓過高將損壞變頻器[3]。

2.2 低壓變頻器選型注意事項(xiàng)

（1）負(fù)載類型和變頻器匹配。

石油化工行業(yè)負(fù)載主要有泵類和風(fēng)機(jī)類。其中泵類分為水泵、油泵、助劑泵、計(jì)量泵、提升泵、攪拌泵、洗滌泵等，提升泵、攪拌泵、洗滌泵多為重載負(fù)荷，其余為常規(guī)負(fù)載;風(fēng)機(jī)類分為空氣冷卻風(fēng)機(jī)、鍋爐引送風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等，空氣冷卻風(fēng)機(jī)、鍋爐引送風(fēng)機(jī)啟動時(shí)為重載負(fù)荷，一般按重載負(fù)荷考慮，其余為常規(guī)負(fù)荷。在選用變頻器時(shí)，應(yīng)按負(fù)載性質(zhì)選型。若不清楚負(fù)載類型或負(fù)載類型在不同工藝條件下可能發(fā)生變化，則建議按重載負(fù)荷選擇變頻器，以避免選型不匹配。

（2）環(huán)境條件對變頻器的影響。

通常，變頻器對環(huán)境溫度和濕度要求較高。環(huán)境溫度在30攝氏度及以下、相對濕度在80%及以下、海拔高度在100米以下時(shí)，變頻器按額定電流運(yùn)行較安全; 如果環(huán)境溫度超過40攝氏度，那么隨著環(huán)境溫度的升高，變頻器的實(shí)際容量和實(shí)際運(yùn)行電流會逐步降低，如果環(huán)境相對濕度超過90%，那么就有可能結(jié)露，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部元器件短路;如果海拔高度超過100米，那么變頻器輸出功率會下降。除此之外，變頻器應(yīng)避免安裝在粉塵環(huán)境中。

（3）變頻器可選件選型。

變頻器可選件選型不當(dāng)，會導(dǎo)致變頻器故障率偏高，集中表現(xiàn)在濾波器、電抗器的選型。

3 低壓變頻器實(shí)際應(yīng)用

3.1 低壓變頻器一次接線

由于接觸器、濾波器、電抗器在一次回路中安裝位置對變頻器的影響較大，所以下面注重對這三個(gè)設(shè)備進(jìn)行解析。

（1）接觸器

接觸器主要有兩種接線方式：安裝于變頻器本體后側(cè)和安裝于變頻器本體前側(cè)。接觸器安裝于變頻器本體后側(cè)，其優(yōu)點(diǎn)為變頻器在電機(jī)頻繁啟動時(shí)不存在頻繁沖擊。缺點(diǎn)是變頻器長期帶電，存在電能損耗;接觸器安裝于變頻器本體前側(cè)，其優(yōu)點(diǎn)為電機(jī)處于備用狀態(tài)時(shí)完全斷電，無電能損耗，缺點(diǎn)是電機(jī)頻繁啟動對變頻器造成頻繁充電沖擊，影響變頻器元器件的使用壽命。

綜上，若電機(jī)不頻繁啟動，將接觸器安裝于變頻器本體前側(cè)和后側(cè)均可，但是將接觸器安裝于變頻器本體后側(cè)更適宜;若電機(jī)頻繁啟動，則建議將接觸器安裝于變頻器本體后側(cè)。

（2）濾波器

輸人濾波器主要是對電網(wǎng)進(jìn)行濾波，抑制電網(wǎng)諧波作用于變頻器，同時(shí)抑制變頻器整流產(chǎn)生的諧波返回電網(wǎng);輸出濾波器主要是對變頻器輸出波形進(jìn)行優(yōu)化，濾除諧波，使輸出波形更趨正弦化。

（3）電抗器

輸人電抗器可抑制電網(wǎng)側(cè)諧波，保護(hù)整流橋;輸出電抗器在變頻器輸出電纜超過規(guī)定長度（一般允許電纜長度為250m）時(shí)選配。

3.2 低壓變頻器安裝環(huán)境

有實(shí)驗(yàn)表明變頻器在惡劣環(huán)境中運(yùn)行故障率明顯升高，特別對溫度、濕度和灰塵較為敏感，因此選擇安裝環(huán)境時(shí)一定要選擇溫度、濕度可控及灰塵小的環(huán)境。

（1）環(huán)境溫度

實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，變頻器適宜工作在溫度小于等于35攝氏度的環(huán)境中，否則溫度越高，變頻器帶負(fù)載能力將逐步降低。

（2）環(huán)境濕度

變頻器周圍環(huán)境濕度較大時(shí)，變頻器內(nèi)部易結(jié)露，易引發(fā)短路事故。因此，一定要控制好變頻器的環(huán)境濕度。

（3）粉塵環(huán)境

變頻器應(yīng)盡量避免在灰塵大的環(huán)境中使用，灰塵積存較多會導(dǎo)致變頻器電子元器件短路損壞。

4 低壓變頻器常見故障與處理

4.1 無法啟動

原因：由負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量過大或者阻轉(zhuǎn)矩過大引起。

處理方式：將起始頻率、轉(zhuǎn)矩適當(dāng)?shù)奶岣卟z查保護(hù)設(shè)置。

4.2 過電壓跳閘

原因：由電源電壓過大或下坡時(shí)間過短引起。

處理方式：排查運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

4.3 過載

原因：低壓變頻器過載能力相對較差或電機(jī)參數(shù)設(shè)置不合理。

處理方式：檢查變頻器的內(nèi)部電流檢測回路和參數(shù)設(shè)定。

5 結(jié)束語

在石油化工產(chǎn)業(yè)，由于變頻器性能優(yōu)越、實(shí)用性強(qiáng)，越來越廣泛受到重視，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)負(fù)載特性正確選擇低壓變頻器，并且將變頻器安裝在適宜的工作環(huán)境中，設(shè)置合理的變頻器參數(shù)，同時(shí)做好定期維護(hù)工作，保證低壓變頻器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈亞軍.低壓變頻器的選型與應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù)，2011（15）.

[2]魏召剛.工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2006（9）.

[3]張朝偉.低壓變頻器應(yīng)用分析[J].自動化與傳動，2013（7）.