变频器入门宝典(绝对实用)!

                       
变频器工作原理1、基本概念 

(1) VVVF 改变电压、改变频率(Variable Voltage and Variable Frequency)的缩写。

(2) CVCF恒电压、恒频率(Constant Voltage and Constant Frequency)的缩写。

  各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率均200V/60Hz(50Hz)或100V/60Hz(50Hz)。通常,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电(DC)。然后再把直流电(DC)变换为三相或单相交流电(AC),我们把实现这种转换的装置称为“变频器”(inverter)。

  变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机(例如空调等),还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池(直流电)产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电,在该项应用中,变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

2. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变?

(1) r/min电机旋转速度单位:每分钟旋转次数,也可表示为rpm。例如:4极电机 60Hz 1,800 [r/min],4极电机 50Hz 1,500 [r/min],电机的旋转速度同频率成比例。

  本文中所指的电机为感应式交流电机,在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机(以后简称为电机)的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。电机的极数是固定不变的。由于极数值不是一个连续的数值(为2的倍数,例如极数为2,4,6),所以不适合改变极对数来调节电机的速度。另外,频率是电机供电电源的电信号,所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机,这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此,以控制频率为目的的变频器,是做为电机调速设备的优选设备。

n = 60f/p,n: 同步速度,f: 电源频率 ,p: 电机极数,改变频率和电压是最优的电机控制方法 。如果仅改变频率,电机将被烧坏。特别是当频率降低时,该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生,变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压,例如:为了使电机的旋转速度减半,变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz,这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。例如:为了使电机的旋转速度减半,变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz,这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。

3、关于散热的问题

   如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度,变频器使用寿命减半。因此,我们要重视散热问题啊!在变频器工作时,流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的,不能忽视其发热所产生的影响。

通常,变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少,可以用以下公式估算: 发热量的近似值= 变频器容量(KW)×55 [W]在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的(过流能力150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算: 变频器容量(KW)×60 [W]因为各变频器厂家的硬件都差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品. 注意: 如果有制动电阻的话,因为制动电阻的散热量很大, 因此最好安装位置最好和变频器隔离开, 如装在柜子上面或旁边等。那么, 怎样采能降低控制柜内的发热量呢? 当变频器安装在控制机柜中时,要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加,要适当地增加机柜的尺寸。因此,要使控制机柜的尺寸尽量减小,就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时,把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面,将会使变频器有70%的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量,所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的,横着放散热会变差的! 关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器, 都带有冷却风扇。同时,也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的,不能谁替代谁。

  另外,散热问题还要注意以下两个问题: 

  (1)在海拔高于1000m的地方,因为空气密度降低,因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容,1000m每-5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大, 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方,但是周期性负载,如电梯,就不必要降容。

  (2)开关频率:变频器的发热主要来自于IGBT,IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容, 就是这个道理。

4、矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的?

(1) 转矩提升:此功能增加变频器的输出电压,以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加,从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不足的技术,使用"矢量控制",可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz(对4极电机,其转速大约为30r/min)时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩(最大约为额定转矩的150%)。对于常规的V/F控制,电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加,这就导致由于励磁不足,而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足,变频器中需要通过提高电压,来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"(*1)。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压,电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量(如励磁分量)。"矢量控制"把电机的电流值进行分配,从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量(如励磁分量)的数值。"矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应,进行优化补偿,在不增加电流的情况下,允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。

5、变频器制动的有关问题

(1) 制动的概念:指电能从电机侧流到变频器侧(或供电电源侧),这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小)随着物体的运动而累积。当动能减为零时,该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器,如果输出频率降低,电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动.这种操作方法被称作"再生制动",而该方法可应用于变频器制动。在减速期间,产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉,而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做"功率返回再生方法"。在实际中,这种应用需要"能量回馈单元"选件。

(2)怎样提高制动能力?

为了用散热来消耗再生功率,需要在变频器侧安装制动电阻。为了改善制动能力,不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。请选用"制动电阻"、"制动单元"或"功率再生变换器"等选件来改善变频器的制动容量

6、当电机的旋转速度改变时,其输出转矩会怎样?

(1): 工频电源由电网提供的动力电源(商用电源)

(2): 起动电流当电机开始运转时,变频器的输出电流变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动。

  我们经常听到下面的说法:"电机在工频电源供电时(*1)时,电机的起动和加速冲击很大,而当使用变频器供电时,这些冲击就要弱一些"。如果用大的电压和频率起动电机,例如使用工频电网直接供电,就会产生一个大的起动冲击(大的起动电流 (*2) )。而当使用变频器时,变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的,所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。通常,电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减些减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器,将改善电机低速时转矩的不足,甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。当变频器调速到大于60Hz频率时,电机的输出转矩将降低。通常的电机是按50Hz(60Hz)电压设计制造的,其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te,P<=Pe) 变频器输出频率大于50Hz频率时,电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于60Hz频率速度运行时,电机负载的大小必须要给予考虑,以防止电机输出转矩的不足。举例,电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速(P=Ue*Ie)。

变频器与电机的距离对系统的影响和预防

1. 在工业使用现场,变频器与电机安装的距离可以大致分为三种情况:源远距离、中距离和近距离。20m以内为近距离,20-100m为中距离,100m以上为远距离。 由于变频器输出的电压波形不是正弦,波形中含有大量的谐波成分,其中高次谐波会使变频器输出电流增大,造成电机绕组发热,产生振动和噪声,加速绝缘老化,还可能损坏电机;同时各种频率的谐波会向空间发射不同程序的无线电干扰,还可能导致其它设备误动作。因此,希望把变频器安放在被控电机的附近。但是,由于生产现场空间的限制,变频器和电机之间往往要有一定距离。如果变频器和电机之间为20m以内的近距离,可以直接与变频器连接;对于变频器和电机之间为20m到100m的中距离连接,需要调整变频器的载波频率来减少谐波及干扰;而对变频器和电机之间为100m以上的远距离连接,不但要适度降低载波频率,还要加装输出交流电抗器。 2.在高度自动化的工厂里,可以在中心控制室监控所有的控制设备,变频器系统的信号也要送到中控室,变频器的位置若在中心控制,总控台与变频器之间,可以直接连接,通过0-5/10V的电压信号和一些开关量信号进行控制。但是,变频器的高频开关信号的电磁辐射对弱电控制信号会产生一些干扰,因此也不一定要美观整齐,把变频器放在中心控制室内。如果变频器与中心控制室距离远一点,可以采用4-20mA的电流信号和一些开关量作控制连接;如果距离更远,可以采用RS485串行通信方式来连接;若还要加长距离,可以利用通信中间继电器达到1km的距离;如果采用光纤连接器,可以达到23km之远。采用通信电缆连接,可以很方便地构成多及驱动控制系统,从而实现主/从和同步控制等要求。与目前流行的现场总线系统相连接将使数据变换速率大大提高。中心控制室与变频器机柜之间的距离的延长,有利于缩短变频器到电机之间的距离,以便用更加合理的布局改善系统性能。 总之安装变频器时,需要综合考虑中心控制室、变频器、电机三者之间的距离,尽量减少谐波的影响,提高控制的稳定性。

载波频率对变频器及电机的影响

1、载波频率对变频器输出电流的影响

(1)运行频率越高,则电压波的占空比越大,电流高次谐波成份越小,即载波频率越高,电流波形的平滑性越好;

(2)载波频率越高,变频器允许输出的电流越小;

(3)载波频率越高,布线电容的容抗越小(因为Xc=1/2πfC),由高频脉冲引起的漏电流越大。

2、载波频率对电机的影响

    载波频率越高,电机的振动越小,运行噪音越小,电机发热也越少。但载波频率越高,谐波电流的频率也越高,电机定子的集肤效应也越严重,电机损耗越大,输出功率越小。

3、载波频率对其它设备的影响

    载波频率越高,高频电压通过静电感应,电磁感应,电磁辐射等对电子设备的干扰也越严重。

4、载波频率对变频器自身的影响

    载波频率越大,变频器的损耗越大,输出功率越小。如果环境温度高,逆变桥上下两个两个逆变管在交替导通过程中的死区将变小,严重时可导致桥臂短路而损坏变频器。

变频器使用注意事项

变频器使用不当,不但不能很好地发挥其优良的功能,而且还有可能损坏变频器及其设备,或造成干扰影响等,因此在使用中应注意以下注意事项:

    1、必须正确选择变频器。

    2、认真阅读产品使用说明书,并按说明书的要求接线、安装和使用。

    3、变频器装置应可靠接地,以抑制射频干扰,防止变频器内因漏电而引起电击。

    4、用变频器控制电机转速时,电机的温升及噪声会比用网电(工频)时高;在低速运转时,因电机风叶转速低,应注意通风冷却或适当减低负载,以免电机温升超过允许值。

    5、供电线路的阻抗不能太小。变频器接入低压电网,当配电变压器容量超过500KVA,或配电变压器容量大于变频器容量10倍时,或变频器接在离配电变压器很近的地方时,由于回路阻抗小,投入瞬间对变频器产生很大的涌流,会损坏变频器的整流元件。

    当线路阻抗较优小时,应的变压器和变频器间加装交流电抗器。

    6、当电网三相电压不平衡度大于3%时,变频器输入电流的峰值就很大,会造成变频器及连接线过热或损坏电子元件,这时也需加装交流电抗器。特别是变压器为V形接法时更为严重,除在交流侧加装电抗器外,还需在直流侧加装直流电抗器。

    7、不能因为提高功率因数而在进线侧装设过大的电容器,也不能在电机与变频器间装设电容器,否则会使线路阻抗下降,产生过流而损坏变频器。

    8、变频器出线侧不能并联补偿电容,也不能为了减少变频器的输出电压的高次谐波而并联电容器,否则可能损坏变频器。为了减少谐波,可以串联电抗器。

    9、用变频器调速的起动和停止,不能用断路器及接触器直接操作,而应用变频器的控制端子来操作,否则会造成变频器失控,并可能造成严惩后果。

    10、变频器与电机间一般不宜加装交流接触器,以免断流瞬间产生过电压而损坏变频器。若需加装,在变频器运行前,输出接触器应先闭合;而在断开前,变频器应先停止输出。

    11、对于变频器驱动普通电机做恒转矩运行的场合,应尽量避免长期低速运行,否则电机散热效果变差,发热严重。如果需要以低速恒转矩长期运行,就必须选用变频电机。

    12、对于提升负载、频繁起停的场合,会有负转矩产生,需适当参数的制动电阻,否则变频器将因过电流或过电压故障而跳闸。

    13、当电机另有制动器时,变频器应工作于自由停机方式,且制动的动作信号应在变频器发出停车指令后再发出。

    14、变频器外接制动电阻的阻值不能小于变频器允许所带制动电阻的要求。在满足制动要求的前提下,制动电阻宜大些。切不可将应接制动电阻的端子答非短接,否则,在制动时会通过开关管发生短路事故。

    15、变频器与电机相连时,不允许用兆欧表测量电机的绝缘电阻,否则,兆欧表输出的高电压会损坏变频器。

    16、正确处理升速与减速的问题。变频器设定的加、减速时间过短,容易受到“电冲击”而损坏变频器。因此使用变频器时,在负载设备允许的前提下,应尽量延长加、减速时间。

    (1)如果负载重,则应增加加、减速时间;反之,可适当减少加、减速时间;

    (2)如果负载设备需要短时间内加、减速,则必须考虑加大变频器的容量,以免出现太大的电流,超过变频器的额定电流;

    (3)如果负载设备需要很短的加、减速时间(如1s内),则应考虑在变频器上采用刹车系统。一般较大容量的变频器都配有刹车系统。

    17、避开负载设备的机械共振点。因为电机在一定的频率范围内,可能会遇到负载设备的机械共振点,产生机械谐振,影响系统的运行。为此,需对变频器设置跳跃频率(或回避频率),把该频率跳过去(回避掉)以避开共振点。

    18、电机首次使用或长时间放置后再接入变频器使用之前,必须对电机进行绝缘电阻测量(用500V或1000V兆欧表,测量值不应小于5MΩ。如果绝缘电阻过低,会损坏变频器。

    19、变频器应垂直安装,留有通风空间,并控制环境温度不超过40℃。

    20、必须采用抗干扰措施,以免变频器受干扰而影响其正常工作,或变频器产生的高次谐波干扰其它电子设备的正常工作。

    21、注意电机的热保护。如果电机与变频器容量匹配,则变频器内部的热保护能有效保护电机。如果两者容量不匹配,须调整其保护值或采取其它保护措施以保证电机的安全运行。

    变频器电子热保护值(电机过载检测),可在变频器额定电流的25%~105%范围内设定。

变频器容量选择一例

变频调速系统在异步电机确定后,通常应根据异步电机的额定参数或根据电机实际的运行参数来选择变频器。实践中发现,对变频器额定电流的选择应给予高度的重视。选择变频器如果只考虑容量不考虑电流,极易造成变频器的烧毁。因此,计算变频器容量时必须留有适当的余地。

    通常要求变频器的额定电流:

    I

≥(1.05~1.1)I

N

  (1)

或  I

≥(1.05~1.1)I

MAX

(2)

式中 I

----变频器的额定电流

     I

N

----电机的额定电流

     I

MAX

----电机实际运行中的最大电流

    按容量选择时,则变频器容量:

    P

≥1.732×KI

N

U

N

10

-3

(KVA)  (3)

式中 I

N

----电机额定电流

     U

N

----电机额定电压

     K----安全系数,一般选取(1.05~1.1)

例如,选择的电机的额定电压U

N

=380V,额定电流I

N

=7.2A。

根据式(1),变频器额定电流选取:

I

≥1.1I

N

=1.1×7.2=7.92(A)

根据式(3)变频器容量选取:

P变≥1.732×1.05×7.2×380×10

-3

=4.98(KVA)

根据以上计算,变频器可选取功率≥5KVA,额定电流≥8A的变频器。

变频器的外围设备及选择

一、主要电器须选好/如图所示

Q──断路器;

KM──接触器;

FU──快速熔断器;

UF──变频器;

M──电动机

1、断路器

主要作用如下图所示:

用于电源电路的开闭,且在出现过流或短路事故时自动断开电源。

主要是隔离作用  保护作用

选择原则

QN

≥(1.31.4

N

2、输入接触器如图所示:

主要作用

ü可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电;

ü变频器或制动单元发生故障时,可自动切断电源。

选择原则

KN

N

3、输出接触器如图所示:

作用:

(1)用于电动机电源在工频电网和变频器之间的切换;

(2)保证变频器的输出端不会接到工频电网上去。

输出接触器的选择:

KN

1.1I

MN

二、主电路线径的选择

1、电源与变频器之间的导线

和同容量普通电动机的电线选择方法相同。

要求:ΔU≤(%U

N

2、变频器与电动机之间的导线,如下图所示:

3、变频器的功率因数

功率因数的定义

=P/S=

d

式中,

──功率因数;

──有功功率,kW;

──视在功率,kVA;

──位移因数,即cosφ

d

──电流的畸变因数,等于电流基波分量的有效值与总有效值之比. 如下图所示:

功率因数的改善:

为了改善功率因数或安装场所距大容量电源很近时,必须加直流电抗器和交流电抗器。除改善功率因数外,还有以下作用:(1)抑制输入中的浪涌电流;(2)削弱电源电压不平衡所带来的影响;

(3)可以将功率因数提高至(0.750.85)外;

(4)功率因数可提高0.9左右。电抗的选用如下图所示:(1) 电抗器电压降不大于额定电压的3%。(2) 当变压器容量大于500KVA或变压器容量超过变频器容量10倍以上时,应配电抗器。

交流电抗器

交-直流电抗器

4、变频器的抗干扰

变频器的电压、电流波形如下图所示:

1、外界对变频器的干扰主要来源于电源进线。当电源系统投入其它设备(如电容器)或由于其它设备的运行(如晶闸管等换相设备)时,容易造成电源的畸变,而损坏变频器的开关管。在变频器的输入电路中串入交流电抗器可有效抑制来源于进线的干扰。2、变频器对外界的干扰(1)干扰信号的传播方式

电路耦合方式

即通过电源网络传播,这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式,如下图。

感应耦合方式

(1)电磁感应方式:这是电流干扰信号的主要传播方式如下图。

(2)静电感应方式:这是电压干扰信号的主要传播方式如下图。

空中幅射方式:即以电磁波的方式向空中幅射,如下图。

(2)抗干扰措施★ 变频器侧a、感应方式传播的干扰信号,通过正确的布线和采用屏蔽线来消弱;b、线路传播的干扰信号,可以在线路中串入小电感来消弱;c、辐射传播的干扰信号,通过吸收方法来消弱(无线电抗干扰滤波器);d、在变频器输出侧和电机间串入滤波电抗器,可以不仅起到抗干扰作用,还可以消弱由于高次谐波引起的附加转矩,改善电动机的运行特性;e、在变频器的输出侧,绝对不允许用电容器来吸收谐波电流。★ 仪器仪表侧电源隔离法:仪器电源侧接入隔离变压器信号隔离法:信号侧用光电耦合器隔离

五、制动电阻请勿乱用

1、制动过程中影响泵升电压的因素

(1)拖动系统的飞轮力矩GD2

(2)降速时间tB

2、制动电阻的选择

(1)能耗电路的工作特点 如图所示:

制动电阻的粗略算法

制动电阻值 

R

B

=U

D

/I

B

I

B

I

MN

T

B

T

MN

制动电阻的消耗功率

P

B0

=U

D2

/R

B

制动电阻的容量选择

P

B

α

B

 •P

B0

αB──制动电阻容量的修正系数。在一般情况下:

α

B

0.30.5

电动机容量小时取小值,大时取大值。

3、制动单元的构成与设计

(1)制动单元的功能与构成如图所示:

(2)用交流接触器代替功率管的要点如图所示:

变频器干扰的路径及对策方法

变频器常见故障原因及对策汇总

一、变频器欠压故障的原因:

1、电源缺相

原因:当变频器电源缺相后,三相整流变成二相整流,在带上负载后,致使整流后的DC电压偏低,造成欠压故障。

对策:检查变频器电源的空开或接触器触点是否接触良好,触点电阻是否太大,输入电压是否正常等。

2、变频器内部直流回路的限流电阻或短路限流电阻的晶闸管损坏

原因:当限流电阻或短路限流电阻的晶闸管损坏时,变频器内部的滤波电容就不能充电,造成欠压故障。

对策:找到电阻或晶闸管损坏的原因(如电机频繁起动,变频器容量小和电机不匹配等),更换限流电阻或晶闸管。

3、同时工作或同时起动的变频器过多

原因:当多台变频器同时起动或工作时,会造成电网电压出现短暂的下降,当电压下降持续时间超过变频器允许的时间(一般变频器都有一个允许压降的最短时间)时,就会造成变频器的欠压故障。

对策:尽量减少同时起动或工作的变频器的台数,变频器输入侧加装AC电抗器,实在不行就增加供电变压器的容量。

4、外界或变频器之间的干扰

原因:外界的干扰或变频器间的互相干扰可能造成变频器检测电子线路非正常工作,导致变频器的误报警。

对策:增强变频器的抗干扰能力,详细见《变频器有效的抗干扰措施

二、变频器过电压故障的原因:

1、对于无制动电阻及制动单元的变频调速系统,在停机时可能出现过电压

原因:主要原因是减速时间设定太短,造成停机时电机的转速大于此时的转速。

对策:增加减速时间或加装制动电阻或制动单元。

2、对于有制动电阻及制动单元的变频调速系统,在制动时出现过电压

原因:制动电流设定太大或制动的时间太短,或制动加入的时间过早。

对策:减小制动电流或延长制动时间,降低加入制动时的频率(在频率降到更低时再加入制动)。

3、在变电所或供电线路中投入补偿电容时,导致变频器发生过电压故障

原因:在投入补偿电容时会引起电网出现尖峰电压,导致变频器过电压故障。

对策:在变频器输入侧加装AC电抗器。

4、制动或减速时间过短

原因:当制动或减速时间过短时,电机反馈产生的大量能量会积聚在滤波电容上,从而造成变频器过电压。

对策:在满足控制要求的条件事,适当增加或延长制动时间或减速时间。

5、雷电过电压

原因:当发生雷电时,会造成电网产生高电压,冲击变频器导致过电压故障。

对策:同上,在在变频器输入侧加装AC电抗器,增强变频器抗电压变化的能力。

6、电源过电压

原因:一般变频器输入电压都允许一定程度的过电压,但此允许的过电压持续有一定的时间限制的,当过电压持续一定的时间后,变频器会过电压报警。

对策:变频器DC电压上限值一般设定在电压700V以上,相当于输入AC电源电压500V左右,比380V超过了30%以上,此种情况很少出现。对短时间的电源过电压可以靠加装AC电抗器来预防。

三、变频器过热故障原因:

1、周围环境温度过高

原因:变频器内部是由无数个电子器件构成的,其工作时会产生大量的热量,尤其是IGBT工作在高频状态下,产生的热量会更多。如果环境温度过高,也会导致变频器内部元器件温度过高,为保护变频器内部电路,此时变频器会报温度高故障并停机。

对策:降低变频器所在场所的温度,如可以加装空调或风扇等强制制冷措施。

2、变频器通风不良

原因:如变频器本身的风道堵塞或控制柜的风道被阻塞时,会影响变频器内部的散热,导致变频器过热报警。

对策:定期检修变频器,清除其风道的垃圾,顺畅风道。

3、风扇卡阻或损坏

原因:变频器风扇坏时,大量的热量积聚在变频器内部散不出去。

对策:更换风扇。

4、负载过重

原因:当变频器所带负载过重(小马拉大车)时,会产生过大的电流,产生大量的热量,有时变频器也会过热报警。

对策:减小负载或增加变频器的容量。

四、变频器过电流的原因:

1、电源电压过高

2、变频器输出短路

3、V/F特性电压提升太大

原因:如果V/F电压提升太大,变频器输出频率已经比较高了,而电机转速还比较低(即电机转速的变化滞后于变频器频率的变化),就会造成失速故障,导致变频器过流故障。

对策:低速电压提升要在实际中反复实验,不要设置太大,否则会导致变频器一起动就发生过流故障。

4、载波频率设置太高

原因:当变频器载波频率设置比较高时,开关管的开关速率比较高,发热量增加。此时,变频器抵抗负载电流变化的能力减小,当负载电流增大时,变频器就有可能过流跳闸。因此,当提高变频器的载波频率时,也应当适当降低变频器的负荷电流。

对策:在满足调速要求的前提下,降低变频器的载波频率。

5、起动加速时间太短

原因:变频器输出频率的变化远远超过电机转速的变化(失速),造成过电流故障。

对策:延长变频器的加速时间。

6、负载突然增大

原因:负载突然增大时,电流也会随之增大,当电流超过变频器设定的过电流值时,为保护变频器内部器件,会报“过电流”故障跳闸。

对策:分析负载突变的原因,如有可能,可以适当增大变频器的容量。

7、传动机构的机械惯性过大,电机的容量相对偏小

原因:当传动机械惯性大时,电机容量又偏小,会(尤其在刚开始启动时)出现“小马拉大车”的现象,造成电机电流偏大,导致变频器过流跳闸。

对策:对于大惯性负载,在保证电机和负载匹配的前提下,可适当提高变频器低速启动时的电压提升,延长变频器的加速时间等方法来防止变频器过流故障的发生。

8、到某一特定速度时,突然发生过电流:

   (1)干扰引起过电压、过电流

   (2)机械共振

9、变频器与电机容量不匹配

10、变频器内整流侧或逆变侧元件损坏。

原因:如断路器和快速熔断器都无反应,很可能是逆变管(IGBT)损坏。变频器内部元件损坏或检测和控制电路故障时,往往表现为变频器一上电就“过电流”跳闸。

对策:更换元件。

11、变频器电源侧缺相、输出断线,电机内部故障及接地故障

对策:检查电源及变频器输出线路,测量电机相间及相对地的绝缘电阻。

12、变频器内部检测电路故障

原因:检测电路损坏导致变频器显示过电流报警,如:检测电流的霍尔传感器由于受温度、湿度等环境因素的影响,工作点容易发生漂移,导致过电流报警。

对策:更换检测元件。

五、变频器控制电机时,电机发生机械振动的原因:

1、机械设备的坚固螺丝松动,改变了原来固有的振荡频率

原因:由于变频器输出中含有很大成份的高次谐波,当机械设备的坚固螺丝松动后,有可能引起机械设备的振动。

对策:坚固螺丝。

2、变频器未设置“回避频率”

原因:一般机械设备自身都有一个固定的振动频率,为此,变频器一般都有一个叫“回避频率”的参数,避开此频率。

对策:根据电机振动时变频器的输出频率来设置“回避频率”。

3、变频器与电机间距离过远

原因:当变频器与电机距离较远时,而载波频率又较高时,电缆与大地间分布电容的影响增大,导致电机发生共振。

对策:加装输出电抗器,降低载波频率。

4、无反馈矢量控制的变频器工作频率太低,当工作频率低于6Hz时,会因运行不够稳定面发生共振

5、变频器三相输出电压不平衡

原因:三相电压不平衡,使定子绕组产生的旋转磁场变成椭圆形,引起转矩不均衡赞成电机发生共振。

对策:变频器三相电压不平衡的原因有多个方面,具体见《变频器不平衡输出浅谈》。

变频器主线路接线图

变频器有效的抗干扰措施

摘要:文中主要介绍了变频器的干扰的形成、来源、途径,以及防止干扰的对策及其在实际应用中几种有效的抗干扰措施。  

关键词:变频器 电磁干扰 抗干扰    

在各种工业控制系统中,随着变频器等电力电子装置的广泛使用,系统的电磁干扰(EMI)日益严重,相应的抗干扰设计技术(即电磁兼容EMC)已经变得越来越重要。变频器系统的干扰有时能直接造成系统的硬件损坏,有时虽不能损坏系统的硬件,但常使微处理器的系统程序运行失控,导致控制失灵,从而造成设备和生产事故。因此,如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化装置研制和应用中不可忽视的重要内容,也是计算机控制技术应用和推广的关键之一。谈到变频器的抗干扰问题,首先要了解干扰的来源、传播方式,然后再针对这些干扰采取不同的措施。  

 一、变频器干扰的来源

    首先是来自外部电网的干扰。电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备,非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变,从而对电网中其它设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若不加处理,电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源的干扰对变频器主要有(1)过压、欠压、瞬时掉电(2)浪涌、跌落 (3)尖峰电压脉冲 (4)射频干扰。

1、 晶闸管换流设备对变频器的干扰

    当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时,由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通,容易使网络电压出现凹口,波形严重失真。它使变频器输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损害,从而导致输入回路击穿而烧毁。

2、 电力补偿电容对变频器的干扰

电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求,为此,许多用户都在变电所采用集中电容补偿的方法来提高功率因数。在补偿电容投入或切出的暂态过程中,网络电压有可能出现很高的峰值,其结果是可能使变频器的整流二极管因承受过高的反向电压而击穿。

    其次是变频器自身对外部的干扰。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载,它所产生的谐波对同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。另外变频器的逆变器大多采用PWM技术,当工作于开关模式且作高速切换时,产生大量耦合性噪声。因此变频器对系统内其它的电子、电气设备来说是一电磁干扰源。

变频器的输入和输出电流中,都含有很多高次谐波成分。除了能构成电源无功损耗的较低次谐波外,还有许多频率很高的谐波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去,形成对变频器本身和其它设备的干扰信号。

    (1)输入电流的波形 变频器的输入侧是二极管整流和电容滤波电路。显然只有电源的线电压UL大于电容器两端的直流电压UD时,整流桥中才有充电电流。因此,充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近,呈不连续的冲击波形式。它具有很强的高次谐波成分。有关资料表明,输入电流中的5次谐波和7次谐波的谐波分量是最大的,分别是50HZ基波的80%和70%。  

    (2)输出电压与电流的波形绝大多数变频器的逆变桥都采用SPWM调制方式,其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形式形波;由于电动机定子绕组的电感性质,定子的电流十分接近于正弦波。但其中与载波频率相等的谐波分量仍是较大的。

二、干扰信号的传播方式

    变频器能产生功率较大的谐波,由于功率较大,对系统其它设备干扰性较强,其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的,主要分传导(即电路耦合)、电磁辐射、感应耦合。具体为:首先对周围的电子、电气设备产生电磁辐射;其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声,使得电机铁耗和铜耗增加;并传导干扰到电源,通过配电网络传导给系统其它设备;最后变频器对相邻的其它线路产生感应耦合,感应出干扰电压或电流。同样,系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

    (1) 电路耦合方式 即通过电源网络传播。由于输入电流为非正弦波,当变频器的容量较大时,将使网络电压产生畸变,影响其他设备工工作,同时输出端产生的传导干扰使直接驱动的电机铜损、铁损大幅增加,影响了电机的运转特性。显然,这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。

    (2) 感应耦合方式 当变频器的输入电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时,变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中去。感应的方式又有两种:

    a、电磁感应方式,这是电流干扰信号的主要方式;

    b、静电感应方式,这是电压干扰信号的主要方式。

    (3) 空中幅射方式 即以电磁波方式向空中幅射,这是频率很高的谐波分量的主要传播方式。

三、变频调速系统的抗干扰对策

    根据电磁性的基本原理,形成电磁干扰(EMI)须具备三要素:电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为防止干扰,可采用硬件抗干扰和软件抗干扰。其中,硬件抗干扰是应用措施系统最基本和最重要的抗干扰措施,一般从抗和防两方面入手来抑制干扰,其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的藕合通道、降低系统干扰信号的敏感性。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

    1、 所谓干扰的隔离,是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中,通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离变压器以免传导干扰,电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。

    2、 在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源从电动机。为减少电磁噪声和损耗,在变频器输出侧可设置输出滤波器;为减少对电源干扰,可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备,可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。在变频器的输入和输出电路中,除了上述较低的谐波成分外,还有许多频率很高的谐波电流,它们将以各种方式把自己的能量传播出去,形成对其他设备的干扰信号。滤波器就是用于削弱频率较高的谐波分量的主要手段。根据使用位置的不同,可分为:

(1) 输入滤波器 通常又有两种:

    a、 线路滤波器 主要由电感线圈构成。它通过增大线路在高频下的阻抗来削弱频率较高的谐波电流。

    b、 辐射滤波器 主要由高频电容器构成。它将吸收掉频率很高的、具有辐射能量的谐波成分。

(2) 输出滤波器 也由电感线圈构成。它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分。非但起到抗干扰的作用,且能削弱电动机中由高次谐波谐波电流引起的附加转矩。对于变频器输出端的抗干扰措施,必须注意以下方面:

    a、 频器的输出端不允许接入电容器,以免在逆变管导通(关断)瞬间,产生峰值很大的充电(或放电)电流,损害逆变管;

    b、 输出滤波器由LC电路构成时,滤波器内接入电容器的一侧,必须与电动机侧相接。

    3、 屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,不让其电磁干扰泄漏;输出线最好用钢管屏蔽,特别是以外部信号控制变频器时,要求信号线尽可能短(一般为20m以内),且信号线采用双芯屏蔽,并与主电路线(AC380V)及控制线(AC220V)完全分离,决不能放于同一配管或线槽内,周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效,屏蔽罩必须可靠接地。

    4、正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰,又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中,由于系统电源零线(中线)、地线(保护接地、系统接地)不分、控制系统屏蔽地(控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地)的混乱连接,大大降低了系统的稳定性和可靠性。

    对于变频器,主回路端子PE(E、G)的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段,因此在实际应用中一定要非常重视。变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2,长度控制在20m以内。建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开,不能共地。

    5、采用电抗器

    在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量(5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等所)所占的比重是很高的,它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外,还因为它们消耗了大量的无功功率,使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。根据接线位置的不同,主要有以下两种:

(1) 电抗器 串联在电源与变频器的输入侧之间。其主要功能有:

a、 通过抑制谐波电流,将功率因数提高至(0.75-0.85);

b、 削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击;

c、 削弱电源电压不平衡的影响。

(2)直流电抗器 串联在整流桥和滤波电容器之间。它的功能比较单一,就是削弱输入电流中的高次谐波成分。但在提高功率因数方面比交流电抗器有效,可达0.95,并具有结构简单、体积小等优点。

    6、合理布线

    对于通过感应方式传播的干扰信号,可以通过合理布线的方式来削弱。具体方法有:

    (1)设备的电源线和信号线应量远离变频器的输入、输出线;

    (2) 其他设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行;

四、结论

    通过对变频器应用过程中干扰的来源和传播途径的分析,提出了解决这些问题的实际对策,随着新技术和新理论不断在变频器上的应用,重视变频器的EMC要求,已成为变频调速传动系统设计、应用必须面对的问题,也是变频器应用和推广的关键之一。变频器存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高,满足实际需要的真正“绿色”变频器也会不久面世。我们相信变频器的EMC问题一定会得到有效解决。

参考资料:

(1)变频器应用手册 吴忠智 吴加林编著 机械工业出版社

(2)变频器调速应用实践 张燕宾 著 机械工业出版社

(3)电磁兼容性原理与设计 王定华 著  电子科技大学出版社

通用变频器选型规范

变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型:恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。

恒转矩负载:

负载转矩TL与转速n无关,任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机,挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。

变频器拖动恒转矩性质的负载时,低速下的转矩要足够大,并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行,应该考虑标准异步电动机的散热能力,避免电动机的温升过高。

恒功率负载:

机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩,大体与转速成反比,这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时,受机械强度的限制,TL不可能无限增大,在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时,最大容许输出转矩不变,属于恒转矩调速;而在弱磁调速时,最大容许输出转矩与速度成反比,属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时,即所谓“匹配”的情况下,电动机的容量和变频器的容量均最小。

风机、泵类负载:

在各种风机、水泵、油泵中,随叶轮的转动,空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小,转速按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。当所需风量、流量减小时,利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量,可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快,与速度的三次方成正比,所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。

西门子公司可以提供不同类型的变频器,用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择变频器时因注意以下几点注意事项:

1.根据负载特性选择变频器,如负载为恒转矩负载需选择siemens MMV/MDV 变频器,如负载为风机、泵类负载应选择siemens ECO变频器。

2.选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据,电机的额定功率只能作为参考。另外应充分考虑变频器的输出含有高次谐波,会造成电动机的功率因数和效率都会变坏。因此,用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较,电动机的电流增加10%而温升增加20%左右。所以在选择电动机和变频器时,应考虑到这中情况,适当留有裕量,以防止温升过高,影响电动机的使用寿命。

3.变频器若要长电缆运行时,此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响,避免变频器出力不够。所以变频器应放大一档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。

4.当变频器用于控制并联的几台电机时,一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值,要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下,变频器的控制方式只能为V/F控制方式,并且变频器无法保护电动机的过流、过载保护,此时需在每台电动机上加熔断器来实现保护。

5对于一些特殊的应用场合,如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等,此时会引起变频器的降容,变频器需放大一档选择。

6使用变频器控制高速电机时,由于高速电动机的电抗小,高次谐波亦增加输出电流值。因此,选择用于高速电动机的变频器时,应比普通电动机的变频器稍大一些。

7变频器用于变极电动机时,应充分注意选择变频器的容量,使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外,在运行中进行极数转换时,应先停止电动机工作,否则会造成电动机空转,恶劣时会造成变频器损坏。

8驱动防爆电动机时,变频器没有防爆构造,应将变频器设置在危险场所之外。

9使用变频器驱动齿轮减速电动机时,使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。润滑油润滑时,在低速范围内没有限制;在超过额定转速以上的高速范围内,有可能发生润滑油用光的危险。因此,不要超过最高转速容许值。

10.变频器驱动绕线转子异步电动机时,大多是利用已有的电动机。

绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比,绕线电动机绕组的阻抗小。因此,容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象,所以应选择比通常容量稍大的变频器。一般绕线电动机多用于飞轮力矩GD2较大的场合,在设定加减速时间时应多注意。

11.变频器驱动同步电动机时,与工频电源相比,降低输出容量10%~20%,变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。

12.对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下,如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话,有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。因此,应了解工频运行情况,选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。变频器驱动潜水泵电动机时,因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大,所以选择变频器时,其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。

13.当变频器控制罗茨风机时,由于其起动电流很大,所以选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。

14.选择变频器时,一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。

15.单相电动机不适用变频器驱动。