變頻器的合理選用及干擾抑制

黃　曙

摘要:變頻器在工礦企業中的應用越來越廣泛,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用系統中如何選用及干擾產生的來源及其傳播途徑。提出了抗干擾的實際解決方法。

關鍵詞:變頻器;電磁干擾;抑制

隨著電力電子技術、微電子技術的飛速發展,大功率整流器件的制造工藝得到了進一步發展,變頻器的發展日新月異,在工礦企業變頻器得到廣泛的應用,應用變頻器有四大優點:

第一可滿足調速的工藝要求,變頻調速器的調速范圍均在10:11以上。

第二便于實現自動化控制,由于變頻器本身是由1個16(或32)位微處理器所控制,設有RS485(或422)、A/D輸入、D/A輸出接口,為自動控制創造了充分條件。

第三獲得可觀的節能效果,如在較大功率(15KW以上)風機,泵類的應用中尤為明顯,可節能20%以上。

第四降低維修工人勞動強度,由于調速系統整體可靠性高、故障低、維修周期長,可減輕有關維修人員工作量。我公司從2000年開始大量采用變頻器調速技術,在制漿造紙等設備上應用,取得了顯著的經濟效益,根據多年的工作經驗,下面談談變頻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,應按照被控對象的類型、調速范圍、靜態速度精度、啟動轉矩等來考慮,使之在滿足工藝和生產要求的同時,既好用、又經濟。

1.1變頻器及被控制的電機

電機的極數,一般電機極數以不多于4極為宜,否則調速意義不大;轉矩特性,臨界轉矩,加速轉矩。在同等電機功率情況下,相對于高過載轉矩模式,變頻器規格可以降格選取。

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,一般當電機與變頻器距離超過50米時,應在它們中間串入電抗器,濾波器或采用屏蔽防護電纜。

下表列出不同類型變頻器的主要性能及應用場合。

1.2變頻器箱體結構的選用

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

敞開型IP00型:本身無機箱,可裝在電控箱內或電氣室內的屏盤架上,尤其適用于多臺變頻器集中使用時選用,但環境條件要求較高。

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合。

密封型IP45型:適用于工業現場條件較差的環境。

密閉型IP65型:適用于環境條件較差,有水、灰塵及一定腐蝕性氣體的場合。

1.3變頻器功率的選用

必須注意變頻器負載率及效率的關系,系統效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積,從效率角度出發,在選用變頻器功率時,要注意以下幾點:

變頻器功率與電動機功率相當時為最合適,以利于變頻器在高效率狀態下運轉。在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時,則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率,并且應略大于電動機的功率。當電動機屬頻繁啟動,制動工作或處于重載啟動且較頻繁時,可選取大一級的變頻器,以利于變頻器長期安全地運行。經測試,電動機實際功率確有富余,可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器,但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。當變頻器與電動機功率不相同時,則必須相應調整變頻器參數的設置,以利于達到較高的節能效果。

1.4變頻器容量的確定

合理的容量選擇本身就是最經濟實用,比較簡便的有三種方法:

電機實際功率確定法:首先測定電機的實際功率,以此為基礎來選用變頻器的容量。

公式法:設安全系數取1.05,則變頻器的容量

Pb=1.05Pm/ηm×cosφ (KW)

式中Pm為電機負載,ηm為電機效率,計算出Pb后,按變頻器產品目錄可選用具體規格。

當一臺變頻器用于多臺電機時,至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響,以避免變頻器過流跳閘。電機額定電流法。變頻器容量選定過程,實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程,最常見,也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率,但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少,通常都是設備所選能力偏大,而實際需要的能力小,因此按電機的實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,對于輕負載類,變頻器電流一般應按1.1In(In為電機額定電流)來選擇,或按廠家在產品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇。

2變頻器應用中的抗干擾措施

變頻器在應用中的抗干擾主要表現在:高次諧波,噪聲與振動、負載匹配,發熱等問題,這些干擾是不可避免的,因為變頻器的輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,它們都是由起開關作用的非線性元件組成的,而在開、斷電路的過程中,都要產生高次諧波,從而使其輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形產生畸變,下面針對諧波問題進行分析并提出相應措施高次諧波的危害性較大,高次諧波的干擾,可以影響到設備和檢測元件,嚴重時可能使這些設備產生誤動作,根據有關的文獻報告,各種對象對高次諧波的敏感程度如下:電動機在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;電子開關超過10%會產生誤動作,計算機超過5%會出錯。簽于以上情況在工業現場,必須采取措施降低干擾,把干擾抑制在允許范圍內。

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。

信號線靠近有干擾的導線時,干擾會被誘導到信號線上,使信號受到干擾,布線分離對消除這種干擾行之有效,實際電纜鋪設中需把高壓電纜,動力電纜、控制電纜常常與儀表電纜、計算機電纜分開布線,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

在變頻器前側安裝線路電抗器,可抑制電源側過電壓,并降低變頻器產生的電流畸變,避免使主電源受到嚴重干擾。在變頻器前加裝LC無源濾波器,濾掉高次諧波,通常可濾掉5次和7次諧波,該方法完全取決于電源和負載,靈活性小。當設備的附近環境受到電磁干擾時,應裝設抗射頻干擾濾波器,可減少主電源的傳導發射,且要采取措施屏蔽電機電源。當電機與變頻器電纜長度大于50米或80米(非屏蔽)時,為了防止電機啟動時的瞬時過電壓,減少電機對地的泄漏電流和噪聲,保護電動機,在變頻器與電機之間安裝電抗器。采用變壓器多相運行,通用變頻器為六脈波整流器,因此產生的諧波較大,如果采用變壓器多相運行,使相位角互差300,如Y-△、△-△組合的變壓器構成12脈波的效果,可減少低次諧波電流,很好地抑制諧波。

變頻系統的供電電源與其它設備的供電電源相互獨立,或在變頻器和其它用電設備的輸入側安裝隔離變壓器,增斷諧波電流。

3案例

一臺ABB(Acs601)變頻器安裝調試時,當頻率上升(自動狀態)時,電機發出異常嘯叫聲,而且升速非常緩慢,此變頻器從0Hz上升至50Hz所需時間設定為15s,而此時從0Hz在上升至40Hz就需要122s。當頻率上升至4lHz時,變頻器突然停止,再啟動,又重復上述現象。在頻率為40Hz時,用萬用表測量變頻器端子(U2、V2、W2)電壓為702V,測主電源端子電壓為380V。初步判斷為電磁干擾故障。在電機電纜中串聯電抗器,故障消失。

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

參考文獻

[1]杜金城.電氣變頻調速設計技術,中國電力出版社2002.

[2]王占奎.交流變頻調速技術應用例集,科學出版社1995.

作者簡介:黃曙 1962、7、男、漢族,大學本科學歷,工程師,從1990年起長期從事機電一體化、電氣自動化控制研究工作。