变频器的选型及使用注意事项

作者：保定市银定庄污水处理厂 李颖清

欢迎访问e展厅 展厅 2 变频器展厅 矢量变频器, 变频调速设备, ... 摘要 以ACS150 系列变频器为例，简述了变频器的工作原理和基本特点，并对变频器在应用和选型过程中应注意的事项以及如何根据负载的性质来选用变频器进行了较详细的说明。 关键字：变频调速；负载；应用 0 引言 随着电力电子技术的不断发展，新的控制理论的不断提出与完善，使变频技术得到了飞速的发展。近年来，伴随着变频器功能的不断提升和扩大，其应用范围也在不断扩展，其现在已经从最初的只能用于风机、水泵的调速过渡到应用于各类要求高精度、快响应的高性能调速指标的工业现场。ACS150系列变频器由ABB 公司设计制造，它可以通过可选件的优化组合最大范围地满足机械行业的要求，主要应用于风机、泵类、门控、物料输送、传送带等的控制。 1 变频调速原理 n=60 f(1-s)/p（1） 式中：n为异步电动机的转速； f为电网频率； s 为电动机转差率； p 为电动机极对数。 由式（1）可知，转速n与频率f 成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f 在0~50 Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。 变频器主要采用交—直—交方式，即先把工频交流电源通过整流装置转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流，逆变部分为IGBT三相桥式逆变，且输出为PWM 波形，中间直流环节的作用为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器在应用中改变的不仅仅是频率，它还得同时改变交流电的电压，如果仅改变频率，电机可能被烧坏。因为异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。但是在低频时仍成比例地降低电压，由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下磁键波形发生畸变，导致转矩减小。 2 ACS150的主要特特点 1）FlashDrop 使传动设置及调试更加快速、容易，可用于批量制造，新型、快速、安全、无忧的方法，专利技术无须加电。 2）固定式控制盘具有舒适、耐用接口的特性，清晰的LCD显示器、背景灯以及按钮的集成控制面板。 3）固定式电位器直观的速度设定，集成的电位器，设定值显示在控制面板上。 4）集成EMC滤波器无需外部滤波器，第二环境滤波器标配，符合IEC-61800-3。 5）内置制动斩波器降低成本，节省空间并简化接线，具有100豫制动性能。 6）灵活的安装方式优化的布局以及有效的机柜空间利用率。 7）有涂层的电路板寿命更长且减少维护，防尘和防潮标配。 3 变频器的选型 变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。所谓合适是指在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。 3.1 平方转矩负载 风机类、泵类负载是平方转矩负载。一般情况下，具有U/f=const（U是指输出电压，f 是指输出电压的频率）控制模式的变频器基本都能满足这类负载的要求，下面根据这类变频器的主要特点介绍选型时需要注意的问题。 3.1.1 避免过载 风机和水泵一般不容易过载，选择变频器的容量时保证其稍大于或等于电动机的容量即可；同时选择的变频器的过载能力要求也较低，一般达到120豫，1min 即可。但在变频器功能参数选择和预置时应注意，由于负载的阻转矩与转速的平 方成正比，当工作频率高于电动机的额定频率时，负载的阻转矩会超过额定转矩，使电动机过载。所以，要严格控制最高工作频率不能超过电机额定频率。 3.1.2 启/ 停时变频器加速时间与减速时间的匹配 由于风机和泵的负载转动惯量比较大，其启动和停止时与变频器的加速时间和减速时间匹配是一个非常重要的问题。在变频器选型和应用时，应根据负荷参数计算变频器的加速时间和减速时间来选择最短时间，以便在变频器启动时不发生过流跳闸和变频器减速时不发生过电压跳闸的情况。但有时在生产工艺中，对风机和泵的启动时间要求很严格，如果上述计算的时间不能满足需求时，应该对变频器进行重新设计选型。 3.1.3 避免共振 由于变频器是通过改变电动机的电源频率来改变电机转速实现节能的，有可能在某一电机转速下与负荷轴系的共振点、共振频率重合，造成负荷轴系不能容忍的振动，有时会造成设备停运或设备损坏，所以在变频器功能参数选择和预置时，应根据负荷轴系的共振频率，通过设定跳跃频率点和宽度，避免系统发生共振现象。 3.1.4 憋压与水锤效应 泵类负载在实际运行过程中，容易发生憋压和水锤效应，变频器在功能设定时要针对这个问题进行单独设定。 1）憋压泵类负载在低速运行时，由于关闭出口阀门使压力升高，从而造成泵汽蚀。在变频器功能设定时，通过设定变频器的最低频率来限定泵流量的临界点最低转速，可避免此类现象的发生。 2）水锤效应泵类负载在突然断电时，管道中的液体由于重力而倒流。若逆止阀不严或没有逆止阀，将导致电机反转，造成电机发电而使变频器发生故障或烧坏。在变频器系统设计时，应使变频器按减速曲线停止，在电机完全停止后再断开主电路，或者设定“断电减速停止”功能，可避免该现象的发生。 3.2 恒转矩负载 带式输送机是恒转矩负载的典型例子。恒转矩负载的基本特点为，在负荷一定的情况下，负载阻转矩取决于皮带与滚筒间的摩擦阻力和滚筒的半径。 这类负载转矩和转速的快慢无关，所以在调节转速过程中，负载的阻转矩保持不变。 恒转矩负载在选择变频调速系统时，除了按常规要求外，应对变频器的控制方式进行选择。 综上所述，异步电动机变频控制选用不同的控制方法，就可以得到不同性能特点的调速特性。 3.3 根据安装环境选取变频器的防护结构 变频器的防护结构要与其安装环境相适应，为此要考虑环境温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与变频器能否长期、安全、可靠运行关系重大。大多数变频器厂商可提供以下几种常用的防护结构供用户选用： 1）开放型IP00 它从正面保护人体不能触摸到变频器内部的带电部分，适用于安装在电控柜内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频器集中使用较好，但它对安装环境要求较高； 2）封闭型IP20、IP21 这种防护结构的变频器四周都有外罩，可在建筑物内的墙上壁挂式安装，它适用于大多数的室内安装环境； 3）密封型IP40、IP42 它适用于工业现场环境条件较差的场合； 4）密闭型IP54、IP55 具有防尘、防水的防护结构，适用于工业现场环境条件差，有水淋、粉尘及一定腐蚀性气体的场合。 4 变频器使用注意事项 1）变频器与供电电源之间应装设带有短路及过载保护的低压断路器、交流接触器，以免变频器发生故障时事故扩大。电控系统的急停控制应使变频器电源侧的交流接触器开断，彻底切断变频器的电源供给，保证设备及人身安全。 2）变频器输入端R、S、T与输出端U、V、W不能接错。变频器的输入端R、S、T是与三相整流桥输入端相连接，而输出端U、V、W是与三相异步电动机相连接的晶体管逆变电路。若两者接错，轻则不能实现变频调速，电机也不会运转，重则烧毁变频器。 3）在起动、停止频繁的场合，不要用主电路电源的通、断来控制变频器的起动、停止，应使用变频器控制面板上的RUN/STOP键或SF/SR控制端子。因为变频器启动时，首先要给直流回路的大容量电解电容充电，如果频繁启动变频器势必造成电容充电用限流电阻发热严重，同时也缩短了大容量电解电容的使用寿命。 4）变频器的端子“N”为中间直流回路的低电平端，严禁与三相四线制供电线路中的零线或大地相接,否则会造成三相整流桥因电源短路而损坏变频器。 5）变频器的输出侧一般不能安装电磁接触器，若必须安装，则一定要注意满足以下条件：变频器若正在运行中，严禁切换输出侧的电磁接触器；要切换接触器必须等到变频器停止输出后才可以。因为，如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压而极易损坏变频器中的电力电子器件。因此，要切换变频器输出侧的接触器，一定要等到所控制的电动机完全停止以后。 6）常规设计的自通风异步电动机在额定工况下及规定的环境温度范围内，是不会超过额定温升的，但处于变频调速系统中，情况就有所不同。自通风异步电动机在20 Hz 以下运行时，转子风叶的冷却能力下降，再如果在恒转矩负载条件下长期运行，势必造成电机温升增加，使调速系统的特性变坏。所以，当自通风异步电动机在低频运行并且拖动恒转矩负载时，必须采取强制冷却措施，改善电机的散热能力，保证变频调速系统的稳定性。 7）当变频器和电动机之间的接线超长时，随着变频器输出电缆的长度增加，其分布电容明显增大，从而造成变频器输出的容性尖峰电流过大而引起变频器跳闸保护，因此必须使用输出电抗器或du/dt滤波器或正弦波滤波器等装置对这种容性尖峰电流进行抑制。 8）不要在变频器输出侧安装电力电容器、浪涌抑制器和无线电噪声滤波器，这将导致变频器故障或电容器和浪涌抑制器的损坏。 9）变频器对散热有较高的要求，其故障率随温度升高而成指数上升。使用寿命随温度升高而成指数下降。环境温度升高10℃，变频器使用寿命减半，因此我们得重视其散热效果，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。对有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由风扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护。 5 结语 异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。因此使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。 作者简介： 李颖清（1966-），女，电气自动化专业高级工程师，现从事在线仪表及自动化产品的应用及维修工作。 参考文献： [1] ACS150 用户手册[Z].北京ABB电气传动系统有限公司，2005.12. [2] 王廷才，王伟.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2005. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/4/2008)