變頻器在工業自動化控制系統應用中的注意事項及其基本選型

趙想世

（天水日報社，甘肅 天水 741000）

1 引言

隨著電力電子技術的不斷提高和進步，變頻技術得到了飛速發展，并且由于變頻器售價的不斷下降，使用壽命的延長，維護的方便，其使用功能的不斷擴展，使變頻技術廣泛應用于工業控制系統中，變頻器的大量推廣使用，在節能、自動化及提高生產率和質量等方面都取得了非常顯著的應用效果。但變頻器畢竟是近二十年來新出現的一種涵蓋了多種高新技術的電力電子產品，在工業自動化控制的現場設備中，實際上存在著部分變頻器不能長期穩定正常工作或真正發揮其應有功能的現象，究其原因，絕大部分都是在設計上考慮不周選用不當所致的，不但造成一定的經濟損失，而且使配電系統解列。結合工程設計，分析和總結變頻器在工業自動化控制系統應用中的一些注意事項和選型原則，以便達到節能高效運行并充分發揮變頻器應用功能的目的。

2 變頻器在工業自動化控制系統應用中的注意事項

2.1 變頻器的散熱

變頻器對散熱有較高的要求，其故障率隨著溫度的升高而上升，使用壽命隨溫度升高而下降。變頻器內部裝有冷卻風扇，為了使冷卻循環效果良好，必須將變頻器垂直安裝，空氣從下向上流通。如將多臺變頻器安裝在同一控制箱內，為了減少相互熱影響，建議橫向并列安裝。在實際使用中，應定期檢查變頻器的冷卻風扇，冷卻風扇運行最好有溫度控制，或與變頻器工作聯動。

2.2 變頻器的諧波干擾

變頻器采用PWM（脈寬調制）控制方式，使得變頻器運行時在電源側產生諧波電流，使電壓和電流波形畸變，引發電能質量問題，干擾其它電子設備的正常工作。通常在變頻器輸入側加裝濾波電抗器，以降低諧波分量，另外采取將變頻器在專用接地點正確接地的方法，以提高控制系統靈敏度、抑制噪聲。接地端子E（G）接地電阻越小越好，接地導線截面積應不小于2mm2，長度應控制在20m以內。

2.3 變頻器至電機超長距離的補償措施

由于變頻器輸出電壓是矩形脈沖，du／dt非常大，電纜存在電抗值Z和對地電容C，所以變頻器的輸出會產生過電壓。變頻器輸出過電壓計算公式為：U＝ZCdu／dt，可見電機電纜越長，電纜電抗值Z和分布電容C越大，過電壓也就越大。電機電纜如果采用屏蔽電纜或鎧裝電纜，因此類電纜分布電容比普通電纜要大，所以過電壓會更大。一般變頻器輸出電纜超過50m就應采取補償措施，在變頻器輸入側加裝電抗器可抑制輸出過電壓，加裝電抗器后可將輸出距離延長到300m。具體設計時需參考所選用的變頻器技術資料。

2.4 變頻器和接觸器配合控制

圖1 變頻器的兩種接線形式

一般來說，變頻器的接線形式主要區別在接觸器的連接上，分接在進線側或接在出線側兩種形式如圖1所示，接觸器受變頻器故障觸點控制，當發生故障時，變頻器故障觸點控制接觸器斷開，從而保護變頻器。接線形式（a），適用于恒轉矩類負載，如起重類設備、傳送帶、多軸傳動等，電機長期運行在電磁制動狀態或使電機在發電狀態。在這兩種情況下，會有大量的能量反饋到變頻器的直流母線上，使得直流母線電壓升高。變頻器通過制動電阻將這些多余的能量以熱能的形式消耗掉，或通過能量反饋裝置將這些能量轉換成交流電，反饋回電網。如果變頻器母線上的電壓在很短時間內急劇升高而來不及將這部分能量消耗或轉化，就可能擊穿變頻器內部的穩壓儲能電容，造成嚴重事故。所以如果電機運行在電磁制動狀態或發電狀態，應采用進線接觸器方式，以便在變頻器母線電壓升高到一定值時，故障觸點控制進線接觸器斷開，使得變頻器主回路失電，從而保護變頻器和主電路。采用進線接觸器，相應的控制線路比較復雜。接線形式（b），適用于變轉矩類負載，如風機、水泵等，負載不會運行在發電狀態及電磁制動狀態，從實際應用的角度分析，接觸器建議安裝在出線側，或者可以不用。采用出線接觸器，相應的控制線路比較簡單。

變頻器接線中如果采用了接觸器，無論接在出線側還是進線側，接觸器控制回路的啟／停操作必須獨立。嚴禁用進線接觸器的輔助觸點控制變頻器的啟動，如果變頻器每次啟停都要通斷接觸器，會使變頻器內部儲能電容頻繁充放電，從而嚴重影響變頻器的使用壽命。正確的控制是：先使主回路得電，變頻器處于待機狀態，然后通過中間繼電器的長開觸點控制變頻器控制電源的通斷。

3 變頻器在工業自動化控制系統應用中的選型

變頻器的正確選擇對于控制系統的正常運行是非常關鍵的，選擇變頻器時必須按照所驅動負載設備的類型、轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度和使用環境的要求，決定選用何種控制方式與防護結構的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機械設備的實際控制要求和使用場合的前提下，實現變頻器應用的最佳性價比。在實際工程應用中，主要根據以下幾個方面來進行變頻器的選型。

3.1 變頻器防護等級

變頻器防護等級要與其使用的環境條件相適應，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素，這與變頻器能否長期、安全、可靠運行關系重大。大多數變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護等級供用戶選用：①敞開型IP00型：本身無機箱，適用于裝在電控箱內或電氣室內的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環境條件要求較高；②封閉型IP20型：適用于一般用途，可有少量灰塵或少許濕度、溫度的場合；③密封IP45型：適用工業現場條件較差的環境；④密閉IP65型：適用于環境條件差，有水、灰塵及一定腐蝕氣體的場合。

3.2 變頻器功率

從效率角度出發，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：①變頻器功率與電動機功率相當時為最合適，以利于變頻器在高頻狀態下運轉；②在變頻器的功率分級與電動機的功率分級不相同時，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；③當電動機頻繁啟動、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；④經測試，電動機的實際功率確實有富余，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；⑤對于一些特殊的應用場合，如高環境溫度、高海拔高度等情況下，在選用變頻器時應放大一級使用。

3.3 設備類型及負載特性

負載種類不同，其轉矩TL與轉速n的關系亦不同，選用通用變頻器時應根據負載特性正確選擇。在生產機械負載中大致可分為三種類型：恒轉矩負載、恒功率負載和平方轉矩負載，其負載特性曲線如圖2所示。

圖2 典型的負載特性曲線圖

（1）恒轉矩負載

負載轉矩TL與轉速n無關，任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定。例如傳送帶、攪拌機等負載都屬于恒轉矩負載。變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速下的轉矩要足夠大，并且有足夠的過載能力。如果需要在低速下穩速運行，則應該考慮異步電動機的散熱能力，適當選擇電機及散熱裝置。

（2）平方轉矩負載

在各種風機、水泵、油泵等負載中，隨葉輪的轉動，空氣或液體在一定的速度范圍內所產生的阻力大致與速度n2成正比。隨著轉速的減小，轉矩按轉速n2減小。這種負載所需的功率與速度n3成正比。當所需風量、流量減小時，利用變頻器通過調速的方式來調節風量、流量，可以大幅度地節約電能。由于高速時所需功率隨轉速增長過快，與速度n3成正比，所以通常不建議風機、泵類負載超工頻連續運行。

（3）恒功率負載

所謂的恒功率負載如軋機、造紙機、塑料薄膜生產線中的卷取機等，其要求的轉矩大體與轉速成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。負載的恒功率性質是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉變為恒轉矩性質。負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；在弱磁調速時，最大允許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時，電動機的容量和變頻器的容量均最小。

3.4 變頻器容量的確定

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 IM＝（1.05～1.1）IN（IN 為電動機額定電流，1.05及1.1為安全系數）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。

4 結束語

隨著變頻器應用功能的不斷擴展延伸和工業通訊能力的增強，從幾千瓦到數千千瓦的變頻器正不斷大量應用于各種工業自動化控制系統中，并且市場上也出現了專門針對不同負載特性和應用場合的專用變頻器，如何合理、安全、經濟地選擇并使用好變頻器就顯得格外重要，而要用好變頻器首先就要在電氣控制原理設計上考慮周到，根據具體運行要求正確恰當地選擇好相應變頻器的功能和型號。在工業自動化控制系統的實踐應用中，根據以上介紹的一些注意事項和基本選型原則并結合具體變頻器的使用說明來對變頻器選型和定型，以便能節能高效地運行并充分發揮變頻器的應用功能，在現場生產過程中盡量減少不必要的經濟損失。

［1］王兆義.變頻器應用：專業技能入門與精通［M］.北京：機械工業出版社，2010.5

［2］李方園.變頻器應用與維護［M］.北京：中國電力工業出版社，2009.6