變頻器在工業自動化控制中的應用

王 攀，蘇洪友

（深圳市德瑞斯電氣技術有限公司，廣東深圳 518000）

1 變頻器相關內容的簡要概述

1.1 變頻器的主要工作原理

變頻器的主要工作原理是通過使用微電子技術和變頻技術，從而實現對各種設備中的電源和電壓進行科學合理化管控，并且根據在實際生產過程中的各項要求來適當調整電源的輸出頻率，從而減少對能源的消耗，提高對生產速度的管控力度。同時，變頻器還可以對整個設備運行中的電流和電壓數值進行實時監控，當荷載數值過高時，變頻器會立即切斷整個工作電路，避免對設備造成影響，來保證自動化設備運行安全。

1.2 變頻器的主要組成

變頻器主要由4部分構成，分別是整流單元、控制器、高容量電容以及逆變器。每個組成結構分別發揮著不同的功能，而通過4個組成部分共同實現交流整流過程。在整個變頻器的裝置中，一般是由二極管整流器來進行整流。當前最常見的變頻器可分為經濟型變頻器、插件式通用型變頻器和大功率電流矢量型變頻器。

1.3 變頻器的功能概述

1.3.1 減少對能源的消耗

在當前工業企業的日常生產過程中，可能會因為一些不可控制的因素而出現斷電或者電流降低的情況，如果不及時采取措施解決，將會影響整個生產效率，最終影響了企業的經濟效益。當前在工業自動化生產過程中，絕大多數企業使用的是具有驅動備用容量的自動化設備，從而能夠當工作線路中的電壓無法提供動能時，自動化設備就會自動調節運行模式，降低運行速度，降低對能源的消耗。一般是通過調節入門檔板的開度來降低對能源的消耗。但是在開合擋板的過程中也會消耗能源[1]，進一步增加了企業的生產成本。此時可以通過應用變頻器來快速讀取系統中的流量和轉速，從而根據自動化設備的運行情況來調整工作線路中的電流和電壓數值，可以明顯降低對能源的消耗。

1.3.2 減少線路中無功功率的損耗

在當前自動化設備的日常運行過程中，經常會出現無功功率損耗的情況，增加了對能源的消耗，同時還影響了運行效率。甚至還會導致設備出現發熱情況，增加短路的概率，縮短了自動化設備的使用壽命。此時可以通過采用變頻器來減少無功損耗的情況，在變頻器中設有濾波電容裝置，能夠實現功率補償的作用，明顯降低無功損耗。

1.3.3 進行自動化設備的軟啟動

在當前工業自動化控制過程中，通常設備在啟動過程中需要極大的電流，該啟動電流是額定電流的好多倍，當啟動電流遠遠大于額定電流時，會對整個工作線路和設備產生影響。此時通過使用變頻器，可以通過變頻器中的軟啟動功能來管控啟動電流，使得啟動電流能夠從小數值逐漸增大，接近設備自身的額定電流數值，減少整個工作電路和設備的影響，提升了設備的使用周期，減少了設備維修的費用。

2 變頻器在工業自動化控制過程中的主要應用

2.1 科學合理選擇變頻器的防護等級

在工業自動化控制過程中使用變頻器，首先是要科學合理選擇出變頻器的防護等級，這樣才能使得變頻器能夠在短時間內快速運行。一般防護等級要與自動化設備的運行環境進行匹配與適應，也就是需要考慮環境中的溫度、濕度、酸堿度、腐蝕性氣體以及各種粉塵等，并根據這些因素來選擇出具體的防護等級，從而能夠提高變頻器的使用周期，保證變頻器運行安全。當前常見的防護等級主要分為了四大類。①敞開式，IP00型。變頻器不含機箱，可以擺放在電控箱內或者貨架上。如果企業使用變頻器的數量較多時，一般選用敞開型防護等級的變頻器最合適，但是其對環境要求較高，需要保證環境中的溫度、濕度以及酸堿度等條件適宜。②封閉式IP20型。該種防護類型的變頻器可以應用在日常生活中，對環境要求相對較低，可以運用在一些有少量灰塵、溫度和濕度的環境中[2]。③密封式IP45型。該種防護類型的變頻器主要應用在一些環境較差的工業生產中。④密閉式IP65型。可以應用在一些環境條件非常差以及含有腐蝕性氣體的工業生產中。

2.2 科學合理確定變頻器的功率

工業企業在選用變頻器過程中，既需要考慮變頻器的防護等級，同時還需要考慮變頻器的功率。變頻器的效率直接與自動化設備的生產效率有著很大關系，因此需要選擇適合的變頻器的功率數值。再選擇變頻器功率時需要從5個方面來考慮。

（1）需要保證變頻器功率與自動化設備中電機功率相匹配，這樣才能夠保證變頻器運轉狀態的穩定。

（2）在工業自動化控制中，無法保持變頻器與電動機設備功率相近時，需要保證二者功率能夠最大接近，而且一般是變頻器的功率較高。

（3）如果設備運行中啟動次數較多時，此時需要提高變頻器功率的等級，這樣即使啟動次數較多時，也不會影響變頻器的運行。

（4）在經過測試后發現自動化設備的功率數值相對較大時，可以選用功率較小的變頻器，但是在此過程中要保證變頻器瞬時峰值電流不會導致過電流保護動作的出現。

（5）在一些高溫高壓情況下，需要選用功率等級高于電機功率等級的變頻器。

2.3 科學合理確定變頻器的容量范圍

在選擇變頻器容量過程中，首先要得變頻器容量能夠貼合設備的額定功率。一般是需要保證變頻器的容量大于等于電機的額定功率，這樣才能夠保證自動化設備的穩定運行。然而在實際選擇過程中，二者之間的功率數值相差較小，因此需要根據電機在運行過程中的實際功率來選擇變頻器的容量，這樣可以保證選出的變頻器容量的合理性，這樣可控制企業的成本消耗。如果自動化設備是屬于輕負載類設備，而選擇變頻器容量過程中，變頻器電流一般是按照IM=（1.05～1.1）IN（IN為電動機的額定電流，而1.05及1.1為安全系數）的計算公式來進行選擇。

3 變頻器在工業自動化控制過程中應用的注意事項

隨著電子技術的飛速發展，進一步提高了變頻技術的水平，當前市場中變頻器的應用范圍在逐漸擴大，類型逐漸增多，而變頻器的價格逐漸下降，變頻器的各項性能在逐漸提高，使用壽命長，便于維護。與此同時，當前一些變頻技術逐漸應用在工業自動化控制過程中，能夠明顯降低對能源的消耗，并提高生產效率和生產質量。但是在當前變頻器使用過程中還經常會出現一些無法散熱、諧波電流產生以及長距離輸送而增加了能源消耗的問題，嚴重制約著工業自動化的進一步發展，同時也影響了企業的經濟效益[3]。因此在使用變頻器過程中，工作人員要提前學習并掌握使用變頻器的注意事項，從而能夠在后期使用過程中最大化避免因使用不合理而增加的運行成本，保證變頻器能夠發揮出最大作用，減少對能源的消耗，并保證自動化設備的穩定運行。

3.1 重視變頻器自身的散熱問題

在使用變頻器過程中，一定要加大對變頻器散熱的重視力度。變頻器散熱的好壞直接影響著整個變頻器的運行安全。變頻器對散熱要求較高，如果變頻器不能及時散熱，就會導致變頻器自身溫度過高，極易出現故障，同時還影響了變頻器的使用壽命。變頻器內部一般設有冷卻風扇，為了提高散熱效果需要將變頻器按照豎直方向來進行安裝，這樣使得外界環境中的空氣能夠由下到上流通，保證空氣的循環效率，促使變頻器能夠及時散熱。如果在生產過程中安裝了多臺變頻器，此時需要按照水平方向來安裝變頻器，這樣能夠避免變頻器在散熱過程中的干擾。此外，在使用變頻器過程中，工作人員應該定期巡檢變頻器中的冷卻風扇，保證冷卻風扇能夠穩定運行，同時還要管控好冷卻風扇的運行溫度，避免因運行溫度過高而影響了散熱效率。

3.2 抑制諧波電流的產生

在變頻器運行過程中，一般采用脈寬調制的控制方式，這樣會導致變頻器運行過程中經常會在電源的兩側區域中產生較多的諧波電流，進一步影響了電流和電壓的波形，同時影響了其他設備的穩定運行。因此需要在變頻器輸入側加設濾波電抗器[4]，能夠明顯降低諧波量，還可以糾正變頻器的接地方法，從而提高整個變頻器控制系統的靈敏性，降低噪聲。在變頻器接地方法中，一般需要保證接地電阻的數值相對較小，而接地導線截面積應該≥2 mm，長度應控制在20 m 以內，這樣才能夠明顯抑制諧波電流的產生。

3.3 及對變頻器采取長距離的補償措施

在使用變頻器時，輸出的電壓是按照矩形脈沖的形式，產生的du/dt 的數值相對較大。而在電纜中一般會存在電抗值（Z）和對地電容（C），從而導致變頻器中會產生過電壓的情況。而當前變頻器的輸出過電壓的計算公式是U=ZCdu/dr，根據公式就可以看出，當自動化設備電纜長度越長時，進一步會增加電纜中的電抗值和對地電容，最終導致變頻器中出現了過電壓的情況。如果自動化設備中采用的電纜是屏蔽式電纜，將會進一步加大過電壓的情況。因此就要及時采取解決措施來降低變頻器產生的過電壓情況。其中，如果變頻器的電纜長度超過50 m 時，就需要采取補償措施，一般可以在變頻器的輸入側區域中加設電抗器，從而降低過電壓情況的發生，此時就可以延長變頻器的輸出距離。在實際設計過程中，一般需要根據所選擇的變頻器類型和實際電纜的長度來進行針對性設計。

3.4 提高變頻器與周邊接觸器的配合力度

大多數變頻器接線類型的區別主要是在接觸器的連接上，一般連接在變頻器的進線側和出現側區域中，如圖1所示。當發生故障時，接觸點會自動斷開接觸線，進一步起到保護變頻器的作用。如果是按照第一種類型的接線形式，可以應用在一些起重類設備中，而使得自動化設備長期處于在電磁制動狀態或者發電狀態，進一步會提高變頻器直流母線中的電壓數值。此時變頻器會通過制動電阻來消耗多余能量。但是在實際過程中，如果變頻器母線中電壓是在極短時間內快速增加，就會導致變頻器無法在極短時間內消耗大量能量，導致變頻器中的穩壓儲能電容被擊穿，造成安全事故發生。因而，如果在變頻器接線過程中使用了接觸器，需要保證接觸器控制回路中開啟和停止操作是相對獨立運行的，不能同時使用。接觸器的輔助觸點來控制變頻器的啟動按鈕[5]，否則會導致變頻器中儲能電容出現多次充放電的情況，最終縮短了變頻器的使用壽命。因此具體的操作步驟是首先通電主回路，接著是變頻器待機狀態，在通過繼電器的長開觸點來進一步控制變頻器中的電源通斷情況，這樣能夠保證電頻器運行安全，同時不會影響電容器的使用壽命和性能。

圖1 變頻器常見的接線方式

4 結束語

綜上所述，在當前工業自動化控制中，使用變頻器的范圍在逐漸擴大，在應用變頻器中，首先要科學合理確定出變頻器的防護等級和容量以及功率。同時工作人員還需要提前掌握使用變頻器的注意事項，確保能夠提高變頻器的使用效率，保證整個自動化設備的穩定運行，提高企業生產效率，最終提升企業的經濟效益。