1.前言
由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，伴隨著(zhù)新的控制理論的提出與完善，使交流調速傳動(dòng)，尤其是性能優(yōu)異的變頻調速傳動(dòng)得到飛速的發(fā)展。近年來(lái)，變頻器的售價(jià)不斷下降，而其使用功能卻不斷提升和擴大，它現在已經(jīng)廣泛應用于從一些數百瓦級的家用器械直到一些數千千瓦級的大型工業(yè)傳動(dòng)裝置的驅動(dòng)。交流變頻調速已從最初的只能用于風(fēng)機、水泵的調速過(guò)渡到應用于各類(lèi)要求高精度、快響應的高性能調速指標的工業(yè)現場(chǎng)。變頻器的大量推廣使用，在節能、省力化、自動(dòng)化及提高生產(chǎn)率、提高質(zhì)量、減少維修和提高舒適性等多方面都取得了令世人矚目的應用效果。但是，變頻器畢竟是近二十年來(lái)新出現的一種蘊涵多種高新技術(shù)的電力電子產(chǎn)品，要想讓它發(fā)揮很好的應用效果，就必須對它的選型和配置做深入的研究。
2.變頻器的選型
變頻器的正確選用對于機械設備電控系統的正常運行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設備的類(lèi)型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉矩和使用環(huán)境的要求，然后決定選用何種控制方式和防護結構的變頻器最合適。所謂合適是在滿(mǎn)足機械設備的實(shí)際工藝生產(chǎn)要求和使用場(chǎng)合的前提下，實(shí)現變頻器應用的最佳性?xún)r(jià)比。
2.1機械設備的負載轉矩特性
人們在實(shí)踐中常將生產(chǎn)機械根據負載轉矩特性的不同，分為三大類(lèi)型：恒轉矩負載、恒功率負載和流體類(lèi)負載。
2.1.1恒轉矩負載
在這類(lèi)負載中，負載轉矩TL與轉速n無(wú)關(guān)，任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著(zhù)負載速度的增高而線(xiàn)形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進(jìn)給機構等摩擦類(lèi)負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉矩負載。
變頻器拖動(dòng)恒轉矩性質(zhì)的負載時(shí)，低速時(shí)的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過(guò)載能力。如果需要在低速下長(cháng)時(shí)穩速運行，應該考慮標準籠型異步電動(dòng)機的散熱能力，避免電動(dòng)機溫升過(guò)高。
2.1.2恒功率負載
這類(lèi)負載的特點(diǎn)是需求轉矩TL與轉速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產(chǎn)線(xiàn)中的卷取機、開(kāi)卷機等，都屬于恒功率負載。
負載的恒功率性質(zhì)應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時(shí)，受機械強度的限制，TL不可能無(wú)限增大，在低速下轉變?yōu)楹戕D矩性質(zhì)。負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動(dòng)方案的選擇有很大的影響。電動(dòng)機在恒磁通調速時(shí)，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時(shí)，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(dòng)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(shí)，即所謂“匹配”的情況下，電動(dòng)機的容量和變頻器的容量均最小。
2.1.3流體類(lèi)負載
這類(lèi)負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。各種風(fēng)機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類(lèi)負載。
流體類(lèi)負載通過(guò)變頻器調速來(lái)調節風(fēng)量、流量，可以大幅度節約電能。由于流體類(lèi)負載在高速時(shí)的需求功率增長(cháng)過(guò)快，與負載轉速的三次方成正比，所以不應使這類(lèi)負載超工頻運行。
2.2根據負載特性選取適當控制方式的變頻器
現在市場(chǎng)上出售的變頻器種類(lèi)繁多，功能也日益強大，變頻器的性能也越來(lái)越成為調速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。下表綜述了近年來(lái)各種變頻器控制方式的性能特點(diǎn)。
綜上所述，異步電動(dòng)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(diǎn)的調速特性。
2.3根據安裝環(huán)境選取變頻器的防護結構
變頻器的防護結構要與其安裝環(huán)境相適應，這就要考慮環(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(cháng)期、安全、可靠運行關(guān)系重大。大多數變頻器廠(chǎng)商可提供以下幾種常用的防護結構供用戶(hù)選用：
（1）開(kāi)放型IP00，它從正面保護人體不能觸摸到變頻器內部的帶電部分，適用于安裝在電控柜內或電氣室內的屏、盤(pán)、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，這種防護結構的變頻器四周都有外罩，可在建筑物內的墻上壁掛式安裝，它適用于大多數的室內安裝環(huán)境。
（3）密封型IP40、IP42，它適用于工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境條件較差的場(chǎng)合。
（4）密閉型IP54、IP55，它具有防塵、防水的防護結構，適用于工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境條件差，有水淋、粉塵及一定腐蝕性氣體的場(chǎng)合。
關(guān)于變頻器容量的計算，可參閱參考文獻1，限于篇幅，此不贅述。
3.變頻器的外圍配置要點(diǎn)
3.1把變頻器連接在大容量電源變壓器（500KVA以上）電網(wǎng)中，或者在同一電源變壓器上連接有晶閘管變流器而未使用換流電抗器，或者同一電網(wǎng)上有功率改善用切換電容器組時(shí)，應配置AC電抗器或DC電抗器，它們也有改善變頻器電源側功率因數和降低輸入高次諧波電流的效果。
3.2變頻器與供電電源之間應裝設帶有短路及過(guò)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(shí)事故擴大。電控系統的急�？刂茟棺冾l器電源側的交流接觸器開(kāi)斷，徹底切斷變頻器的電源供給，保證設備及人身安全。
3.3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(dòng)機相連接的晶體管逆變電路。若兩者接錯，輕則不能實(shí)現變頻調速，電機也不會(huì )運轉，重則燒毀變頻器。
3.4在起動(dòng)、停止頻繁的場(chǎng)合，不要用主電路電源的通、斷來(lái)控制變頻器的起動(dòng)、停止，應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(dòng)時(shí)，首先要給直流回路的大容量電解電容充電，如果頻繁啟動(dòng)變頻器勢必造成電容充電用限流電阻發(fā)熱嚴重，同時(shí)也縮短了大容量電解電容的使用壽命。
3.5變頻器的端子“N”為中間直流回路的低電平端，嚴禁與三相四線(xiàn)制供電線(xiàn)路中的零線(xiàn)或大地相接,否則會(huì )造成三相整流橋因電源短路而損壞變頻器。
3.6變頻器的輸出側一般不能安裝電磁接觸器，若必須安裝，則一定要注意滿(mǎn)足以下條件：變頻器若正在運行中，嚴禁切換輸出側的電磁接觸器；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(shí)切換輸出側的接觸器，將會(huì )在接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)的瞬間產(chǎn)生很高的過(guò)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的接觸器，一定要等到所控制的電動(dòng)機完全停止以后。
3.7遇有內裝制動(dòng)單元而需外加制動(dòng)電阻的變頻器，一定要注意制動(dòng)電阻的正確接線(xiàn)。制動(dòng)電阻要接在P與DB之間，不能接在P、N之間，否則會(huì )造成變頻器的逆變器在未運行時(shí)三相整流橋就滿(mǎn)載工作，造成變頻器無(wú)法正常工作，制動(dòng)電阻也有燒毀的可能。
3.8變頻調速的多速電動(dòng)機，在運行中不能改變極對數。如果在變頻調速系統中，為了擴大調速范圍而必須選用多速電動(dòng)機時(shí)，由于多速電動(dòng)機是用改變定子繞組接線(xiàn)方法，改變極對數，實(shí)現調速目的。如果在變頻器運行中改變電動(dòng)機的繞組接線(xiàn)，就會(huì )引起很大的沖擊電流，造成變頻器過(guò)載跳閘，甚至燒毀的嚴重事故。所以，要安全切換多速電動(dòng)機的繞組，必須要等到變頻器停止輸出后才能進(jìn)行。
3.9機械制動(dòng)器在變頻調速系統中的正確使用。在脈寬調制（PWM）的變頻器中，其輸出頻率與輸出電壓之比為一常數，即f/V=C。在輸出頻率低時(shí)，其輸出電壓也低，如果機械制動(dòng)器的電磁抱閘線(xiàn)圈接在U、V、W端，則在變頻器低速時(shí)機械抱閘始終處于抱緊狀態(tài)，變頻器會(huì )因過(guò)載而跳閘，所以機械制動(dòng)器的電磁線(xiàn)圈只能接在變頻器的輸入端R、S、T端。
3.10變頻器低速運行時(shí)的特點(diǎn)及對策。常規設計的自通風(fēng)異步電動(dòng)機在額定工況下及規定的環(huán)境溫度范圍內，是不會(huì )超過(guò)額定溫升的，但處于變頻調速系統中，情況就有所不同。自通風(fēng)異步電動(dòng)機在20HZ以下運行時(shí)，轉子風(fēng)葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉矩負載條件下長(cháng)期運行，勢必造成電機溫升增加，使調速系統的特性變壞。所以，當自通風(fēng)異步電動(dòng)機在低頻運行并且拖動(dòng)恒轉矩負載時(shí)，必須采取強制冷卻措施，改善電機的散熱能力，保證變頻調速系統的穩定性。
3.11當變頻器和電動(dòng)機之間的接線(xiàn)超長(cháng)時(shí)，隨著(zhù)變頻器輸出電纜的長(cháng)度增加，其分布電容明顯增大，從而造成變頻器逆變輸出的容性尖峰電流過(guò)大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(jìn)行限制。
輸出濾波電抗器用于補償在電機電纜長(cháng)距離敷設時(shí)引起的線(xiàn)路電容充電電流，也可抑制諧波。在多電機成組傳動(dòng)時(shí)，可接入一臺輸出濾波電抗器，總電纜長(cháng)度是每臺電機電纜長(cháng)度的總和。從理論上說(shuō)，功率等級不同的變頻器所允許敷設的電機電纜長(cháng)度是不同的，并且不同生產(chǎn)廠(chǎng)商的變頻器所允許敷設的電機電纜長(cháng)度也是不同的。因此，關(guān)于變頻器敷設的電機電纜在超過(guò)多長(cháng)距離時(shí)應加裝輸出濾波電抗器，還應參閱各變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)商提供的使用手冊。
3.12不要在變頻器輸出側安裝電力電容器、浪涌抑制器和無(wú)線(xiàn)電噪聲濾波器，這將導致變頻器故障或電容器和浪涌抑制器的損壞。
3.13變頻器的漏電流及其對策。由于在變頻器的輸入、輸出布線(xiàn)和電動(dòng)機繞組中存在分布電容，而現在的變頻器大多采用PWM調制方式，因此會(huì )有漏電流流過(guò)它們，其值正比于分布電容量和變頻器的載波頻率。因此，要降低變頻器的漏電流，一是盡可能縮短變頻器和電動(dòng)機之間的接線(xiàn)長(cháng)度，二是盡量降低變頻器的載波頻率。
為了保護設備和人身安全，可在變頻器的進(jìn)線(xiàn)側安裝漏電斷路器。當選用變頻器專(zhuān)用的漏電斷路器時(shí)，其額定靈敏度電流：I△n≥10×（Ig1+Ign+Ig2+Igm）;當選用一般的漏電斷路器時(shí)，其額定靈敏度電流：I△n≥10×{Ig1+Ign+3×（Ig2+Igm）};上式中：Ig1—工頻電源運行時(shí)變頻器輸入回路的漏電流，Ig2—工頻電源運行時(shí)變頻器輸出回路的漏電流，Ign—變頻器輸入側噪聲濾波器的漏電流，Igm—工頻電源運行時(shí)電動(dòng)機的漏電流。如果上式中的漏電流基本數據不好確定，可按下述經(jīng)驗選擇。變頻器專(zhuān)用漏電斷路器的額定靈敏度電流按每臺變頻器20mA估算，一般漏電斷路器的額定靈敏度電流按每臺變頻器50mA估算。
4.結束語(yǔ)
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展完善，交流變頻調速技術(shù)日益顯現出優(yōu)異的控制及調速性能，高效率、易維護等特點(diǎn)，加之它的價(jià)格不斷下降，使其在機械設備的調速領(lǐng)域中應用日益廣泛，成為一種優(yōu)選的調速方案。但是，變頻器的應用，具有不同于以往的電氣傳動(dòng)系統的特點(diǎn)。本文針對應用廣泛的通用變頻器，提出了在變頻器選型和外圍配置中需要注意的一些問(wèn)題。工程現場(chǎng)選用變頻調速系統，應權衡利弊，合理選用。只有正確、靈活地用好變頻器，交流變頻調速系統才能安全、可靠地運行
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