現代變頻器技術分析

　　通用變頻器以其智能化、數字化、網絡化等優點越來越受到人們的青睞，但隨著通用變頻器應用范圍的擴大，暴露出一些問題。針對這些問題，本文進行了分析并提出了對策。
　　
　　一、諧波問題及其對策
　　
　　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阻抗。通常情況下，電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小時，則內阻抗值相對越大，諧波含量越小；電源容量相對變頻器容量越大時，則內阻抗值相對越大，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。安裝電抗器實際是從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側安裝交流電抗器或在變頻器的直流側安裝直流電抗器，或同時安裝，抑制諧波電流。
　　3、變壓器多相運行。通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所以產生的諧波較大。如果應用變壓器的多相運行，使相位角互差30°。如Y-△、△-△組合的兩個變壓器構成相當于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、調節變頻器的載波比。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，13次以下的奇數諧波不再出現。
　　5、專用濾波器。專用濾波器用于檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產生一個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、負載匹配問題及其對策
　　
　　生產機械的轉矩特性大體分為三種類型：恒轉矩負載、風機泵類負載和恒功率負載。針對不同的負載類型，應選擇不同類型的變頻器。
　　1、恒轉矩負載。恒轉矩負載是指負載轉矩與轉速無關，任何轉速下，轉矩均保持恒定。而恒轉矩負載又分為摩擦類負載和位能式負載量兩種。
　　2、風機泵類負載。風機泵類負載是目前工業現場應用最多的設備，雖然泵和風機的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風機應用為主，通用變頻器在這類負載上的應用最多。這類負載對變頻器的性能要求不高，只要求經濟性和可靠性，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。風機負載在實際運行過程中，由于轉動慣量比較大，所以變頻器的加速時間和減速時間是一個非常重要的問題。
　　風機負載的系統轉動慣量計算是非常重要的。變頻器具體設計時，按計算結果，進行適當修正，在變頻器起動時不發生過流跳閘和變頻器減速時不發生過電壓跳閘的情況下，選擇最短時間。而泵類負載在實際運行過程中，容易發生喘振、憋壓和水垂效應，所以變頻器選型時，要選擇適于泵類負載的變頻器，且變頻器在功能設定時要針對上述問題進行單獨設定。
　　3、恒功率負載。恒功率負載是指轉矩大體與轉速成反比的負載，如卷取機、開卷機等。就一定的速度變化范圍而言的，利用變頻器驅動恒功率負載時，通常考慮在某個轉速點以下采用恒轉矩調速方式，在高于該轉速點時才采用恒功率調速方式。通常將該轉速點稱為基頻，而該點對應的電壓為變頻器輸出額定電壓。
　　
　　三、發熱問題及對策
　　
　　變頻器的發熱是由內部的損耗產生的。對變頻器進行散熱，通常采用：
　　1、采用風扇散熱。變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風扇不能正常工作，就立即停止變頻器運行。
　　2、降低安裝環境溫度。通用變頻器的環境運行溫度一般要求在-10℃到-50℃之間，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長，性能也比較穩定。對于這個問題可采取兩種方法：一是建造單獨的變頻器低壓間，內部安裝空調，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明書的要求。
　　以上所談到的變頻器發熱是指變頻器在額定范圍之內正常運行的損耗。當變頻器發生非正常運行（如過流，過壓，過載等）產生的損耗時，必須通過正常的選型來避免此類現象的發生。
　　對于風機泵類負載，以三菱變頻器FR-F540為例，當變頻器相對于其額定負載的120%過載時，其持續時間為60秒，并且在300秒之內不允許出現第二次過載。當變頻器出現過載時，功率單元因其流過的過載電流而升溫，導致變頻器過熱，這時必須盡快使其降溫以使變頻器的過熱保護動作消除，這個冷卻過程就是變頻器的過載周期。不同的變頻器，其過載倍數、過載時間和過載周期均不相同，并且其過載倍數越大，過載時間越短。
　　對于變頻器所驅動的電機，按其工作情況可分為兩類：長期工作制和重復短時工作制。長期工作制的電機可以按其名牌規定的數據長期運行。針對該類負載，變頻器可根據電機銘牌數據進行選型，如連續運行的油泵，若其電機功率為22kW時，可選擇FR-F540-22k變頻器即可。重復短時工作制電機，其特點是重復性和短時性，即電機的工作時間和停歇時間交替進行，而且都比較短，二者之和，按國家規定不得超過60秒。重復短時工作制電機允許其過載且有一定的升溫。此時，若根據電機銘牌數據來選擇變頻器，勢必造成變頻器的損壞。針對該類負載，變頻器在參考電機銘牌數據的情況下要根據電機負載圖和變頻器的過載倍數、過載時間、過載周期來選型。如重復短時運行的升降機，其電機功率為18.5kW，可選擇FR-A540-22k變頻器。
　　通過對通用變頻器運行過程中存在問題的分析，提出了解決這些問題的實際對策，隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。隨著工業現場和社會環境對變頻器的要求不斷提高，滿足實際需要的真正“綠色”變頻器也會不久面世。
　　（作者單位：黑龍江龍煤礦業集團有限責任公司）