變頻器可靠運(yùn)行的四大要素

對(duì)于變頻器這種當(dāng)下最為流行的電氣控制裝置，做為一種精密電子工控裝置，要想使變頻器長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)地正常運(yùn)行，身為專業(yè)技術(shù)人員的我們，則還需要在變頻器安裝或運(yùn)行前，從四個(gè)直接影響變頻器運(yùn)行的環(huán)境要素上著手，切實(shí)搞好準(zhǔn)備工作。

一、物理環(huán)境

①溫度因素

溫度對(duì)變頻器內(nèi)部電子元器件的壽命以及可靠性的影響巨大。在運(yùn)行溫度較高的環(huán)境下使用變頻器時(shí)，必須采取額外的冷卻降溫措施，用以保證環(huán)境溫度穩(wěn)定在變頻器使用手冊(cè)要求的范圍之內(nèi)（－10～+40/45℃）。在電控箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并且嚴(yán)禁把發(fā)熱元件緊靠變頻器底部安裝！此外，在使用過(guò)程中還應(yīng)定期對(duì)變頻器自帶冷卻風(fēng)扇進(jìn)行檢查和保潔工作。

②濕度因素

對(duì)于此種因素的危害，相信廣大同行都能明白——在環(huán)境濕度大于90%時(shí)，變頻器內(nèi)部的器件絕緣性會(huì)變差，從而導(dǎo)致變頻器發(fā)生故障。因此必要時(shí)在變頻器內(nèi)放入干燥劑則成為必須的除潮手段。

③腐蝕性氣體

由于腐蝕性氣體對(duì)變頻器內(nèi)部PCB板、塑料制品外殼等的電氣絕緣性能有極大的破壞作用，故在此種環(huán)境下使用變頻器應(yīng)按要求采用符合安全規(guī)程要求的密封外殼。

④振動(dòng)和沖擊

這兩種會(huì)引起變頻器發(fā)生電氣接觸不良、元器件開焊的物理現(xiàn)象，對(duì)變頻器的正常使用同樣影響較大，為此加強(qiáng)日常保養(yǎng)和檢修工作不容大意。

二、電氣環(huán)境

①防止電磁干擾

變頻器在工作中因?yàn)榇嬖谡骱湍孀儹h(huán)節(jié)，此工作過(guò)程必然產(chǎn)生很多電磁波干擾，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀器儀表均有一定的干擾。為此和變頻器同網(wǎng)絡(luò)的儀器儀表應(yīng)先做好接地工作，各種電氣元件、儀器儀表之間的連線應(yīng)選用帶有屏蔽層的電纜線，且必須將屏蔽層做接地處理。

②防止輸入端過(guò)電壓

雖然大多數(shù)變頻器電源輸入端具有過(guò)電壓保護(hù)功能，可如果變頻器輸入端高電壓作用時(shí)間較長(zhǎng)，則往往會(huì)使變頻器內(nèi)部相關(guān)元器件（如壓敏電阻、整流器件等）發(fā)生損壞。對(duì)于電源電壓波動(dòng)頻繁且幅度較大的電源，要考慮使用穩(wěn)壓設(shè)備。

三、接地

變頻器正確接地是提高系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲干擾的重要手段。變頻器接地端子G（也有標(biāo)注為E）接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線截面積不應(yīng)低于2mm2，且長(zhǎng)度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。此外需要指出的是，變頻器信號(hào)輸入線的屏蔽層應(yīng)接至G（或E）接線端子上，其另一端絕不能接于地端，否則會(huì)引起信號(hào)變化波動(dòng)，造成系統(tǒng)發(fā)生振蕩。

四、防雷

在變頻器中一般都設(shè)有雷電吸收、泄放回路，用以防止瞬間的雷電侵入造成變頻器損壞。無(wú)奈在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，尤其是變頻器電源線為架空引入的情況下，單純依賴變頻器內(nèi)部防雷回路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此在雷電活躍區(qū)，并且變頻器電源為架空線引入方式的話，應(yīng)在進(jìn)線處裝配變頻器專用的避雷器（廠家選配件），或許按規(guī)范要求在變頻器20m的遠(yuǎn)處預(yù)埋鍍鋅鋼管座專用接地防雷保護(hù)。

變頻器內(nèi)部四大不為人知的秘密

變頻器作為當(dāng)下電動(dòng)機(jī)控制方面最為主流的電控設(shè)備，其擁有調(diào)速調(diào)壓精確、操控方式靈活多樣等諸多優(yōu)點(diǎn)。雖說(shuō)變頻器的使用方法已被廣大電工同行所熟悉和掌握，但其內(nèi)部線路當(dāng)中的秘密，大家可能就未必了解了。

誤區(qū)1、使用變頻器都能節(jié)電

變頻調(diào)速器能否實(shí)現(xiàn)節(jié)電，是由其負(fù)載的調(diào)速特性決定的。對(duì)于離心風(fēng)機(jī)、離心水泵這類負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。只要原來(lái)采用閥門控制流量，且不是滿負(fù)荷工作，改為調(diào)速運(yùn)行，均能實(shí)現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來(lái)的80%時(shí)，功率只有原來(lái)的51.2%。可見，變頻調(diào)速器在這類負(fù)載中的應(yīng)用，節(jié)電效果最為明顯。對(duì)于羅茨風(fēng)機(jī)這類負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)，即恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。若原來(lái)采用放風(fēng)閥放走多余風(fēng)量的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，改為調(diào)速運(yùn)行，也能實(shí)現(xiàn)節(jié)電。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為原來(lái)的80%時(shí)，功率為原來(lái)的80%。比在離心風(fēng)機(jī)、離心水泵中的應(yīng)用節(jié)電效果要小得多。對(duì)于恒功率負(fù)載，功率與轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)。水泥廠恒功率負(fù)載，如配料皮帶秤，在設(shè)定流量一定的條件下，當(dāng)料層厚時(shí)，皮帶速度減慢；當(dāng)料層薄時(shí)，皮帶速度加快。變頻調(diào)速器在這類負(fù)載中的應(yīng)用，不能節(jié)電。

與直流調(diào)速系統(tǒng)比較，直流電動(dòng)機(jī)比交流電動(dòng)機(jī)效率高、功率因數(shù)高，數(shù)字直流調(diào)速器與變頻調(diào)速器效率不相上下，甚至數(shù)字直流調(diào)速器比變頻調(diào)速器效率略高。所以，宣稱使用交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速器比使用直流電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速器要節(jié)電，理論和實(shí)踐證明，這是不正確的。

誤區(qū)2、變頻器的容量選擇以電動(dòng)機(jī)額定功率為依據(jù)

相對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速器的價(jià)格較貴，因此在保證安全可靠運(yùn)行的前提下，合理地降低變頻調(diào)速器的容量就顯得十分有意義。變頻調(diào)速器的功率指的是它適用的4極交流異步電動(dòng)機(jī)的功率。

由于同容量電動(dòng)機(jī)，其極數(shù)不同，電動(dòng)機(jī)額定電流不同。隨著電動(dòng)機(jī)極數(shù)的增多，電動(dòng)機(jī)額定電流增大。變頻調(diào)速器的容量選擇不能以電動(dòng)機(jī)額定功率為依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于原來(lái)未采用變頻器的改造項(xiàng)目，變頻調(diào)速器的容量選擇也不能以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)。這是因?yàn)?，電?dòng)機(jī)的容量選擇要考慮最大負(fù)荷、富裕系數(shù)、電動(dòng)機(jī)規(guī)格等因素，往往富裕量較大，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)常常在50%～60%額定負(fù)荷下運(yùn)行。若以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)來(lái)選擇變頻調(diào)速器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，而可靠性并沒(méi)有因此得到提高。

對(duì)于鼠籠式電動(dòng)機(jī)，變頻調(diào)速器的容量選擇應(yīng)以變頻器的額定電流大于或等于電動(dòng)機(jī)的最大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以最大限度地節(jié)約資金。對(duì)于重載起動(dòng)、高溫環(huán)境、繞線式電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)等條件下，變頻調(diào)速器的容量應(yīng)適當(dāng)加大。對(duì)于一開始就采用變頻器的設(shè)計(jì)中，變頻器容量的選擇以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)無(wú)可厚非。這是因?yàn)榇藭r(shí)變頻器容量不能以實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)選擇。當(dāng)然，為了減少投資，在有些場(chǎng)合，也可先不確定變頻器的容量，等設(shè)備實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，再根據(jù)實(shí)際電流進(jìn)行選擇。

誤區(qū)3、用視在功率計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能收益

用視在功率計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能效果。如某文獻(xiàn)：原系統(tǒng)風(fēng)機(jī)工頻滿載工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流為289A，采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)約為0.99，電流是257A，這是由于變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生改善功率因數(shù)的作用，其節(jié)能計(jì)算如下：

ΔS=UI=×380×（289－257）=21kVA

因此該文認(rèn)為其節(jié)能效果約為單機(jī)容量的11%左右。

實(shí)際分析：S即表示視在功率，即電壓與電流的乘積，電壓相同時(shí)，視在功率節(jié)約百分比與電流節(jié)約百分比是一回事。在有電抗的電路中，視在功率只是反映了配電系統(tǒng)的允許最大輸出能力，而不能反映電動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗的功率。電動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中，雖用實(shí)際電流計(jì)算，但計(jì)算的是視在功率，而不是有功功率。我們知道，電動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗的功率是由風(fēng)機(jī)及其負(fù)載決定的。功率因數(shù)的提高并沒(méi)有改變風(fēng)機(jī)的負(fù)載，也沒(méi)有提高風(fēng)機(jī)的效率，風(fēng)機(jī)實(shí)際消耗的功率沒(méi)有減少。功率因數(shù)提高后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也沒(méi)有改變，電動(dòng)機(jī)定子電流并沒(méi)有減少，電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率和無(wú)功功率都沒(méi)有改變。功率因數(shù)提高的原因是變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生無(wú)功功率供給了電動(dòng)機(jī)消耗。隨著功率因數(shù)提高，變頻器的實(shí)際輸入電流減少，從而減少了電網(wǎng)至變頻器之間的線損和變壓器的銅耗。同時(shí)，負(fù)荷電流減小，給變頻器供電的變壓器、開關(guān)、接觸器、導(dǎo)線等配電設(shè)備可以帶更多的負(fù)載。需要指出的是，如果象該例一樣不考慮線損和變壓器銅耗的節(jié)約，而考慮變頻器的損耗，變頻器在50Hz滿載運(yùn)行時(shí)，不僅沒(méi)有節(jié)能，而且還費(fèi)電。因此，用視在功率計(jì)算節(jié)能效果是不對(duì)的。

誤區(qū)4、變頻器輸出側(cè)不能加裝接觸器

幾乎所有變頻調(diào)速器使用說(shuō)明書都指出，變頻調(diào)速器輸出側(cè)不能加裝接觸器。變頻器在運(yùn)行中連接負(fù)載，會(huì)由于漏電流而使過(guò)電流保護(hù)回路動(dòng)作。那么，只要在變頻調(diào)速器輸出與接觸器動(dòng)作之間，加以必要的控制聯(lián)鎖，保證只有在變頻調(diào)速器無(wú)輸出時(shí)，接觸器才能動(dòng)作，變頻調(diào)速器輸出側(cè)就可以加裝接觸器。這種方案對(duì)于只有1臺(tái)變頻調(diào)速器，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)（1臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)電動(dòng)機(jī)備用）的場(chǎng)合，具有重要的意義。當(dāng)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以很方便地將變頻器切換到備用電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)延時(shí)使變頻器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)備用電動(dòng)機(jī)自動(dòng)投入變頻運(yùn)行。并且還可以很方便地實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的互為備用。

誤區(qū)5、變頻調(diào)速器在離心風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，可完全取代風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)閥門

采用變頻調(diào)速器對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速來(lái)控制風(fēng)量，與調(diào)節(jié)閥門控制風(fēng)量相比，具有明顯的節(jié)電效果。但在有些場(chǎng)合，變頻調(diào)速器不能完全取代風(fēng)機(jī)的閥門，在設(shè)計(jì)中要引起特別注意。為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們先從其節(jié)電原理談起。離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

誤區(qū)6、通用電動(dòng)機(jī)只能在其額定轉(zhuǎn)速以下采用變頻調(diào)速器降速運(yùn)行

經(jīng)典理論認(rèn)為，通用電動(dòng)機(jī)頻率上限為55Hz。這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需要調(diào)到額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，定子頻率將增加到高于額定頻率（50Hz）。這時(shí)，若仍按恒轉(zhuǎn)矩原則控制，則定子電壓將升高超過(guò)額定電壓。那么，當(dāng)調(diào)速范圍高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，須保持定子電壓為額定電壓不變。這時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速/頻率的上升，磁通將減少，因此在同一定子電流下的轉(zhuǎn)矩將減小，機(jī)械特性變軟，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大幅度減少。

由此可見，通用電動(dòng)機(jī)頻率上限為55Hz是有前提條件的：

1、定子電壓不能超過(guò)額定電壓；

2、電動(dòng)機(jī)在額定功率運(yùn)行；

3、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

上述情況下，理論和試驗(yàn)證明，若頻率超過(guò)55Hz，將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變小，機(jī)械特性變軟，過(guò)載能力下降，鐵耗急增，發(fā)熱嚴(yán)重。

筆者認(rèn)為，電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況表明，通用電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)變頻調(diào)速器進(jìn)行提速運(yùn)行。能否變頻提速？能提多少？主要是由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載來(lái)決定的。首先，要弄清負(fù)荷率是多少？其次，要搞清楚負(fù)載特性，根據(jù)負(fù)載的具體情況，進(jìn)行推算。簡(jiǎn)單分析如下：

1、事實(shí)上，對(duì)于380V通用電動(dòng)機(jī)，定子電壓超過(guò)額定電壓10%長(zhǎng)期運(yùn)行是可以的，對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣及壽命沒(méi)有影響。定子電壓提高，轉(zhuǎn)矩顯著增大，定子電流減少，繞組溫度下降。

2、電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率通常為50%～60%

一般情況下，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)通常在50%～60%額定功率下工作。經(jīng)推算，電動(dòng)機(jī)輸出功率為70%額定功率，定子電壓提高7%時(shí)，定子電流下降26.4%，此時(shí)，即使是恒轉(zhuǎn)矩控制，采用變頻調(diào)速器提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速20%，定子電流也不但不會(huì)上升，反而會(huì)下降。盡管提高頻率后，電動(dòng)機(jī)鐵耗急增，但由其產(chǎn)生的熱量與定子電流下降而減少的熱量相比甚微。因此，電動(dòng)機(jī)繞組溫度也將明顯下降。

3、負(fù)載特性各種各樣

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)是為負(fù)載服務(wù)的，不同的負(fù)載，機(jī)械特性不同。電動(dòng)機(jī)在提速后必須滿足負(fù)載機(jī)械特性的要求。經(jīng)推算恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不同負(fù)荷率（k）時(shí)的允許最高運(yùn)行頻率（fmax）與負(fù)荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe為額定工頻。對(duì)恒功率負(fù)載，通用電動(dòng)機(jī)的允許最高工作頻率主要受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的機(jī)械強(qiáng)度限制，筆者認(rèn)為一般限制在100Hz以內(nèi)為宜。