工業(yè)電氣變頻控制技術(shù)的應(yīng)用

徐衛(wèi)青

[摘? ? 要]變頻器是交流調(diào)速的重要設(shè)備，是改變交流電機(jī)的供電頻率，從而改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。文章主要分析了變頻器的安裝環(huán)境要求和安裝要點(diǎn)，最后并提出了變頻器的干擾問題發(fā)現(xiàn)與解決技巧，希望能為相關(guān)人員提供一些參考和幫助。

[關(guān)鍵詞]變頻器;安裝;干擾

[中圖分類號]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–0–02

Discussion on the Practical Application of Industrial Electric

Frequency Conversion Control Technology

Xu Wei-qing

[Abstract]Frequency converter is an important equipment of AC speed adjustment， is to change the power supply frequency of AC motor， thus changing the speed of AC motor.This paper mainly analyzes the installation environment requirements and installation points of frequency converter， and finally puts forward the interference problem discovery and solution skills of frequency converter， hoping to provide some reference and help for relevant personnel.

[Keywords]frequency converter; installation; interference1

1 變頻器發(fā)展概況

變頻器（variable-frequency drive，簡稱VFD），也稱為變頻驅(qū)動器或驅(qū)動控制器。變頻器是可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的一種，是應(yīng)用變頻驅(qū)動技術(shù)改變交流電動機(jī)工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流電動機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩，最常見的輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉(zhuǎn)換器。

變頻器的出現(xiàn)是在人類社會進(jìn)入工業(yè)化社會后。在19世紀(jì)，先后出現(xiàn)了直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩種電動機(jī)。直流電動機(jī)控制方便，但有以下缺點(diǎn)：①直流電動機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境中;②需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，使用壽命較短;③難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動機(jī)。交流電動機(jī)的控制比較困難，卻具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不存在換向火花，可以應(yīng)用在易燃易火暴氣體的惡劣環(huán)境;②容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動機(jī);③結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作可靠，易于維護(hù)保養(yǎng)。如何兼顧電動機(jī)的控制和大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，成了最需要考慮問題。在經(jīng)過一段時(shí)間技術(shù)改革和試驗(yàn)后，利用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)的變頻器應(yīng)運(yùn)而生，從而解決了交流電動機(jī)最大的控制問題，使交流電動機(jī)成了動力驅(qū)動裝置的主流。

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外有保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等。

2 變頻器的安裝環(huán)境要求和安裝要點(diǎn)

因?yàn)樽冾l器應(yīng)用廣泛，涉及專業(yè)技術(shù)多，技術(shù)革新快，對它應(yīng)用技術(shù)一直值得研究的地方。根據(jù)其特點(diǎn)，其安裝環(huán)境需要注意幾點(diǎn)。

2.1 環(huán)境溫度要求

變頻器運(yùn)行溫度在5 ～35 ℃。變頻器一般安裝在穩(wěn)定固定在柜盤內(nèi)中部位置，垂直安裝。變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部、或者隔板或者必須安裝的大元件等的最小間距，應(yīng)該大于300 mm?？紤]到變頻器運(yùn)行過程中會產(chǎn)生很大的熱量，盤柜內(nèi)上下通風(fēng)條件應(yīng)良好，變頻器進(jìn)出風(fēng)口避免有大的元器件阻擋。在室內(nèi)安裝時(shí)最好配置空調(diào)，有助于系統(tǒng)降溫，保證變頻器在適當(dāng)溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 環(huán)境濕度要求

在變頻器使用環(huán)境相對濕度：≤85%R.H。

2.3 環(huán)境空氣質(zhì)量要求

不含高濃度粉塵及易燃、易爆氣體或粉塵，附件沒有強(qiáng)電磁輻射源。如果必須安裝在環(huán)境內(nèi)，變頻器盤柜的防腐、防水、防潮、防爆、防輻射等級必須滿足實(shí)際使用要求。

2.4 變頻器盤柜系統(tǒng)接地

要求可靠接入附近的公共接地系統(tǒng)。變頻器控制端的接地，需要單獨(dú)引出，并接入專用的屏蔽接地系統(tǒng)，防止電源信號干擾。除了要注意變頻器安裝環(huán)境的前提條件，變頻器常規(guī)安裝方法，還要注意以下事項(xiàng)：

①信號線與動力線要垂直交叉或分槽布線;②不采用不同金屬的導(dǎo)線相互連接;③屏蔽管（層）應(yīng)可靠接地，并保證整個(gè)長度上連續(xù)可靠接地。屏蔽接地的方式，一般是單側(cè)接地。廠家有特殊需要的，按廠家要求來處理;④信號電路中要使用雙絞線屏蔽電纜;⑤屏蔽層接地點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離變頻器，并與變頻器接地點(diǎn)分開;⑥在變頻器輸入電源線和輸出線上使用磁環(huán)，輸入線一起朝同一方向繞4圈，而輸出線朝同一方向繞3圈即可。繞線時(shí)需注意，盡量將磁環(huán)靠近變頻器;⑦一般對被干擾設(shè)備儀器，均可采取屏蔽及其他抗干擾措施。

變頻器作為變頻設(shè)備的核心部件，良好的運(yùn)行環(huán)境和合理安裝技巧是其穩(wěn)定工作的重要保證。注意了這些基本要素，會減少后面上電調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)中很多突然出現(xiàn)的故障問題。

3 變頻器的干擾問題發(fā)現(xiàn)與解決技巧

變頻器作為高頻率使用的設(shè)備，其在調(diào)試和使用過程中，會有各種問題出現(xiàn)，最常見的問題就是干擾問題。因?yàn)樽冾l器用于強(qiáng)電電源的轉(zhuǎn)換控制，容易對附近設(shè)備和線路產(chǎn)生干擾。

（1）變頻器干擾方式一般按傳播方式來分，分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。對于通過輻射方式傳播的干擾信號，主要通過布線以及對放射源和對被干擾的線路進(jìn)行屏蔽的方式來削弱。常見的情況是機(jī)柜安裝完畢，上電調(diào)試時(shí)，變頻器柜附近的電子元器件、線路受到莫名干擾，不同廠家的產(chǎn)品，其強(qiáng)弱干擾情況強(qiáng)度有所不同。這就要對變頻器柜內(nèi)的線路進(jìn)行布局適當(dāng)改動，并有效隔離。需要用根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改動，測試合格后，才能使用。

在一個(gè)某污水廠處理項(xiàng)目中，幾臺變頻泵控制柜的上電試運(yùn)行過程中，泵啟停正常，低頻啟動，變頻調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)都正常，但是調(diào)試人員在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：在泵機(jī)運(yùn)行停止后，柜面的運(yùn)行指示燈還會有偶爾有微弱的光閃爍。這是一個(gè)不正常的現(xiàn)象，經(jīng)過數(shù)次啟停，發(fā)現(xiàn)一直有這個(gè)問題，馬上安排進(jìn)行技術(shù)檢查：柜內(nèi)電氣元器件都穩(wěn)固，接線可靠;外部進(jìn)線動力電纜進(jìn)線與控制線纜分開布置，間隔超過規(guī)范要求，并固定可靠;系統(tǒng)接地與屏蔽接地都正確，連接可靠，硬件檢查沒有問題。仔細(xì)看了柜內(nèi)電氣原理圖，發(fā)現(xiàn)圖紙上指示燈的電源時(shí)接入了變頻器的二次回路，當(dāng)變頻器啟動帶電時(shí)，指示燈的電源回路閉合，燈亮了，代表泵已經(jīng)啟動。當(dāng)泵停止，二次回路斷開，燈已經(jīng)熄滅（實(shí)際已經(jīng)熄滅），但是閃過的微弱電光只能是電源帶電了，但是變頻器二次回路已經(jīng)斷開，燈的主電源也處于斷開。用萬用表在燈柜門上的接線位置兩端進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)停泵后，萬用表上還有3V左右交流電壓出現(xiàn)，并不持久，2～3 s內(nèi)就消失，但過了幾秒還會出現(xiàn)，反復(fù)出現(xiàn)3～4次才消失。把變頻器廠家和機(jī)柜廠家的技術(shù)人員一起叫到現(xiàn)場，再次檢查分析，一致認(rèn)為是燈受到電磁場的干擾。柜的附近沒有強(qiáng)磁場設(shè)備，那么磁場就來自于變頻器與主電源回路本身。泵主電源在柜背面，變頻器在柜中間，兩者中間有金屬隔板隔離，而燈在柜前門，所以主電源側(cè)干擾可能性不大。但變頻器本身是交流—直流—交流轉(zhuǎn)換，會導(dǎo)致周圍有磁場變化，離二次回路的線路也較近，極有可能是輻射干擾。于是在指示燈的柜門上加了隔離金屬板。然后再上電測試，多次啟停后，指示燈的不再有微弱光閃爍，萬用表再次測量燈的電壓，電壓基本為0v。處理結(jié)果良好，各方都表示可以接受。

（2）另一類的干擾就比較常見，線纜傳導(dǎo)干擾。對于通過線路傳播的干擾信號，主要通過在變頻器輸入輸出側(cè)加裝濾波器，電抗器或磁環(huán)等方式來處理。

但是實(shí)際情況時(shí)，有了這種措施，有時(shí)候還會有干擾產(chǎn)生。在一個(gè)項(xiàng)目上，已經(jīng)上電，正在進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)一個(gè)線路干擾問題。問題發(fā)生在車間控制室內(nèi)一個(gè)通信柜，運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。在這個(gè)車間控制室內(nèi)，22個(gè)變頻器柜，通過PROFI-DP總線把變頻器及電機(jī)的運(yùn)行信息傳送到在同一房間內(nèi)的DP通信柜內(nèi)，然后光纖通信傳輸?shù)紻CS，進(jìn)行監(jiān)控。變頻器柜和通信柜是安裝完成，電源、接地都良好。通信線路是從變頻器柜走專用線槽敷設(shè)通信柜。為了查出是變頻器本身產(chǎn)生還是線路傳輸過程中被干擾，應(yīng)做以下檢查。首先，設(shè)備上電投用，在變頻器側(cè)，專業(yè)人員一一拔出DP通信線接口，由在中控室一側(cè)的專業(yè)人員在DCS中查看數(shù)據(jù)是否異常。在排查了十幾根通信線后，發(fā)現(xiàn)一根通信線先后拔下后，通信數(shù)據(jù)有所變化。對懷疑的那根通信線重新接上，重復(fù)3次后，確認(rèn)有問題。其次，對剩余通信線繼續(xù)檢查測試，又發(fā)現(xiàn)一根有異常情況。確認(rèn)這兩根后，停機(jī)檢查線路，發(fā)現(xiàn)雖然所有柜內(nèi)布線和隔離是類似的，但是通信線是后敷設(shè)的。這兩根發(fā)現(xiàn)異常的通信線正常敷設(shè)在柜內(nèi)部金屬線槽內(nèi)，但靠近變頻器側(cè)時(shí)沒有固定好，部分松動，在進(jìn)入變頻器柜時(shí)離主電源電纜也比較近。于是對這兩根線重新進(jìn)行隔離固定。把所有的通信線都復(fù)位后重新上電測試，發(fā)現(xiàn)整個(gè)DP數(shù)據(jù)通信就恢復(fù)正常了。

（3）變頻器的干擾還會有一個(gè)特殊情況出現(xiàn)。因?yàn)樽冾l器與變頻電機(jī)工作區(qū)域一般是分開的，為了讓其各自穩(wěn)定工作，防止過熱損壞，都配置了保護(hù)功能，如果這一部分沒考慮到會被干擾，也會導(dǎo)致意外產(chǎn)生。

由于電機(jī)側(cè)到變頻器柜線路比較長，溫度保護(hù)的配置，一般是把熱電阻作為溫度檢測儀表，連接的線纜，普通為三線制的屏蔽電纜。而溫度控制器一般都在變頻器柜內(nèi)，不會單獨(dú)進(jìn)入自控機(jī)柜。有時(shí)候工作狀況會顯示不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致變頻器報(bào)故障，無法正常使用。

在一個(gè)工廠項(xiàng)目中，變頻螺旋輸送機(jī)的電機(jī)有溫度保護(hù)，信號為熱電阻PT100，信號直接進(jìn)變頻器柜內(nèi)溫度變送器內(nèi)。同一料倉的一組3臺電機(jī)，正常工作時(shí)，結(jié)果過熱保護(hù)，跳停，一開始懷疑是電機(jī)問題，結(jié)果3臺電機(jī)現(xiàn)場用專用工具測試都沒有過熱，也沒有異常的聲音。那么就是熱電阻這邊的問題。電阻在投用前，回路測試都是正常的。最終視線還是回到了變頻器柜內(nèi)的溫度控制器（擁有變送功能和數(shù)字輸出功能）。熱電阻信號進(jìn)入變送器，通過溫度設(shè)定值，輸出一個(gè)數(shù)字量信號0或者1給變頻控制器。未啟動電機(jī)，電阻值信號正常。啟動電機(jī)，溫度就開始變化，而且不多時(shí)間有突然升高降低的情況。實(shí)際檢查線路布置，發(fā)現(xiàn)溫度線路在變頻器柜內(nèi)走線時(shí)，柜內(nèi)線纜較多，屏蔽層被剝除，然后與其他控制線綁扎在一起敷設(shè)，一直到溫度變送器，溫度變送器至變頻器信號側(cè)也是類似。于是，把線纜松開，按電源類型、信號類型分開。將熱電阻的電纜抽出柜底余量，連帶屏蔽層一起敷設(shè)、固定，效果大為改善。電機(jī)不再異常

跳停。

變頻器的控制技術(shù)精度越高，對設(shè)備本身和施工技術(shù)細(xì)節(jié)要求也越高，許多不注意的小地方可能就是導(dǎo)致干擾或者故障產(chǎn)生的原因。通過施工前交底，過程檢查，驗(yàn)收檢查，仔細(xì)檢查每個(gè)容易出問題的環(huán)節(jié)，才能減少此類事件帶來的損失。其實(shí)輻射干擾也好，線路干擾也好，都是變頻器的磁場對設(shè)備和線路產(chǎn)生了干擾，只是傳導(dǎo)干擾的方式不同罷了。

4 結(jié)束語

變頻器作為現(xiàn)代設(shè)備核心部件，有電源轉(zhuǎn)換、節(jié)能減排，安全可靠的多種功能，滿足大多數(shù)用戶的需求，但價(jià)格較貴，技術(shù)要求高。隨著變頻器控制器技術(shù)不斷發(fā)展，小型化，集成化，智能化，降低成本，降低散熱量和故障率，會在不同領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，與普通人的生活也越來越接近。我們應(yīng)以欣賞的眼光來看待變頻技術(shù)進(jìn)入實(shí)際生活，像變頻空調(diào)、變頻電梯、變頻泵、變頻風(fēng)機(jī)等。

變頻控制技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合起來，如PLC控制技術(shù)，變配電技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等，組成我們豐富多彩的現(xiàn)代化、自動化的智能社會。

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