0引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制理論的不斷提出與完善，使變頻技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。近年來，伴隨著變頻器功能的不斷提升和擴大，其應(yīng)用范圍也在不斷擴展，其現(xiàn)在已經(jīng)從最初的只能用于風(fēng)機、水泵的調(diào)速過渡到應(yīng)用于各類要求高精度、快響應(yīng)的高性能調(diào)速指標(biāo)的工業(yè)現(xiàn)場。ACS150系列變頻器由ABB公司設(shè)計制造，它可以通過可選件的優(yōu)化組合最大范圍地滿足機械行業(yè)的要求，主要應(yīng)用于風(fēng)機、泵類、門控、物料輸送、傳送帶等的控制。

1變頻調(diào)速原理

n=60f(1-s)/p（1）

式中：n為異步電動機的轉(zhuǎn)速；

f為電網(wǎng)頻率；

s為電動機轉(zhuǎn)差率；

p為電動機極對數(shù)。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0~50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。

變頻器主要采用交—直—交方式，即先把工頻交流電源通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流，逆變部分為IGBT三相橋式逆變，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)的作用為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

變頻器在應(yīng)用中改變的不僅僅是頻率，它還得同時改變交流電的電壓，如果僅改變頻率，電機可能被燒壞。因為異步電動機的轉(zhuǎn)矩是電機的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時將燒毀電機。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。但是在低頻時仍成比例地降低電壓，由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速下磁鍵波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。

2變頻器的選型

變頻器的正確選用對于機械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求，決定選用何種控制方式和防護結(jié)構(gòu)的變頻器最合適。所謂合適是指在滿足機械設(shè)備的實際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下，實現(xiàn)變頻器應(yīng)用的最佳性價比。

2.1平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載

風(fēng)機類、泵類負(fù)載是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。一般情況下，具有U/f=const（U是指輸出電壓，f是指輸出電壓的頻率）控制模式的變頻器基本都能滿足這類負(fù)載的要求，下面根據(jù)這類變頻器的主要特點介紹選型時需要注意的問題。

2.1.1避免過載

風(fēng)機和水泵一般不容易過載，選擇變頻器的容量時保證其稍大于或等于電動機的容量即可；同時選擇的變頻器的過載能力要求也較低，但在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時應(yīng)注意，由于負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)工作頻率高于電動機的額定頻率時，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩會超過額定轉(zhuǎn)矩，使電動機過載。所以，要嚴(yán)格控制最高工作頻率不能超過電機額定頻率。

2.1.2啟/停時變頻器加速時間與減速時間的匹配

由于風(fēng)機和泵的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比較大，其啟動和停止時與變頻器的加速時間和減速時間匹配是一個非常重要的問題。在變頻器選型和應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷參數(shù)計算變頻器的加速時間和減速時間來選擇最短時間，以便在變頻器啟動時不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時不發(fā)生過電壓跳閘的情況。但有時在生產(chǎn)工藝中，對風(fēng)機和泵的啟動時間要求很嚴(yán)格，如果上述計算的時間不能滿足需求時，應(yīng)該對變頻器進行重新設(shè)計選型。

2.1.3避免共振

由于變頻器是通過改變電動機的電源頻率來改變電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能的，有可能在某一電機轉(zhuǎn)速下與負(fù)荷軸系的共振點、共振頻率重合，造成負(fù)荷軸系不能容忍的振動，有時會造成設(shè)備停運或設(shè)備損壞，所以在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷軸系的共振頻率，通過設(shè)定跳躍頻率點和寬度，避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。

2.1.4憋壓與水錘效應(yīng)

泵類負(fù)載在實際運行過程中，容易發(fā)生憋壓和水錘效應(yīng)，變頻器在功能設(shè)定時要針對這個問題進行單獨設(shè)定。

1）憋壓泵類負(fù)載在低速運行時，由于關(guān)閉出口閥門使壓力升高，從而造成泵汽蝕。在變頻器功能設(shè)定時，通過設(shè)定變頻器的最低頻率來限定泵流量的臨界點最低轉(zhuǎn)速，可避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

2）水錘效應(yīng)泵類負(fù)載在突然斷電時，管道中的液體由于重力而倒流。若逆止閥不嚴(yán)或沒有逆止閥，將導(dǎo)致電機反轉(zhuǎn)，造成電機發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障或燒壞。在變頻器系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)使變頻器按減速曲線停止，在電機完全停止后再斷開主電路，或者設(shè)定“斷電減速停止”功能，可避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

帶式輸送機是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的典型例子。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的基本特點為，在負(fù)荷一定的情況下，負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩取決于皮帶與滾筒間的摩擦阻力和滾筒的半徑。

這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān)，所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩保持不變。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時，除了按常規(guī)要求外，應(yīng)對變頻器的控制方式進行選擇。

綜上所述，異步電動機變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點的調(diào)速特性。

2.3根據(jù)安裝環(huán)境選取變頻器的防護結(jié)構(gòu)

變頻器的防護結(jié)構(gòu)要與其安裝環(huán)境相適應(yīng)，為此要考慮環(huán)境溫度、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(guān)系重大。大多數(shù)變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護結(jié)構(gòu)供用戶選用：

1）開放型IP00它從正面保護人體不能觸摸到變頻器內(nèi)部的帶電部分，適用于安裝在電控柜內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用較好，但它對安裝環(huán)境要求較高；

2）封閉型IP20、IP21這種防護結(jié)構(gòu)的變頻器四周都有外罩，可在建筑物內(nèi)的墻上壁掛式安裝，它適用于大多數(shù)的室內(nèi)安裝環(huán)境；

3）密封型IP40、IP42它適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件較差的場合；

4）密閉型IP54、IP55具有防塵、防水的防護結(jié)構(gòu)，適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件差，有水淋、粉塵及一定腐蝕性氣體的場合。

3變頻器使用注意事項

1）變頻器與供電電源之間應(yīng)裝設(shè)帶有短路及過載保護的低壓斷路器、交流接觸器，以免變頻器發(fā)生故障時事故擴大。電控系統(tǒng)的急?？刂茟?yīng)使變頻器電源側(cè)的交流接觸器開斷，徹底切斷變頻器的電源供給，保證設(shè)備及人身安全。

2）變頻器輸入端R、S、T與輸出端U、V、W不能接錯。變頻器的輸入端R、S、T是與三相整流橋輸入端相連接，而輸出端U、V、W是與三相異步電動機相連接的晶體管逆變電路。若兩者接錯，輕則不能實現(xiàn)變頻調(diào)速，電機也不會運轉(zhuǎn)，重則燒毀變頻器。

3）在起動、停止頻繁的場合，不要用主電路電源的通、斷來控制變頻器的起動、停止，應(yīng)使用變頻器控制面板上的RUN/STOP鍵或SF/SR控制端子。因為變頻器啟動時，首先要給直流回路的大容量電解電容充電，如果頻繁啟動變頻器勢必造成電容充電用限流電阻發(fā)熱嚴(yán)重，同時也縮短了大容量電解電容的使用壽命。

4）變頻器的端子“N”為中間直流回路的低電平端，嚴(yán)禁與三相四線制供電線路中的零線或大地相接,否則會造成三相整流橋因電源短路而損壞變頻器。

5）變頻器的輸出側(cè)一般不能安裝電磁接觸器，若必須安裝，則一定要注意滿足以下條件：變頻器若正在運行中，嚴(yán)禁切換輸出側(cè)的電磁接觸器；要切換接觸器

必須等到變頻器停止輸出后才可以。因為，如果在變頻器正常輸出時切換輸出側(cè)的接觸器，將會在接觸器觸點斷開的瞬間產(chǎn)生很高的過電壓而極易損壞變頻器中的電力電子器件。因此，要切換變頻器輸出側(cè)的接觸器，一定要等到所控制的電動機完全停止以后。

6）常規(guī)設(shè)計的自通風(fēng)異步電動機在額定工況下及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，是不會超過額定溫升的，但處于變頻調(diào)速系統(tǒng)中，情況就有所不同。自通風(fēng)異步電動機在20Hz以下運行時，轉(zhuǎn)子風(fēng)葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下長期運行，勢必造成電機溫升增加，使調(diào)速系統(tǒng)的特性變壞。所以，當(dāng)自通風(fēng)異步電動機在低頻運行并且拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，必須采取強制冷卻措施，改善電機的散熱能力，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

7）當(dāng)變頻器和電動機之間的接線超長時，隨著變頻器輸出電纜的長度增加，其分布電容明顯增大，從而造成變頻器輸出的容性尖峰電流過大而引起變頻器跳

閘保護，因此必須使用輸出電抗器或du/dt濾波器或正弦波濾波器等裝置對這種容性尖峰電流進行抑制。

8）不要在變頻器輸出側(cè)安裝電力電容器、浪涌抑制器和無線電噪聲濾波器，這將導(dǎo)致變頻器故障或電容器和浪涌抑制器的損壞。

9）變頻器對散熱有較高的要求，其故障率隨溫度升高而成指數(shù)上升。使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)下降。環(huán)境溫度升高10℃，變頻器使用壽命減半，因此我

們得重視其散熱效果，對于單元型在盤內(nèi)、掛在墻上的都取縱向位，盡可能垂直安裝。對有風(fēng)扇的機種，風(fēng)的方向是從下向上，所以裝設(shè)變頻器的地方，上、下部不要放置妨礙吸、排氣的機械器材。還有，變頻器上方不要放置怕熱的零件等。風(fēng)扇發(fā)生故障時，由風(fēng)扇停止檢測或冷卻風(fēng)扇上的過熱檢測進行保護。

4結(jié)語

異步電動機是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。因此使用變頻器對電動機電源進行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。

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