工程型變頻器

工程型變頻器涉及的工程行業(yè)廣泛，它主要用于控制標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機的速度和轉(zhuǎn)矩，而標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機則是工業(yè)領(lǐng)域的主要設(shè)備。隨著交流變頻技術(shù)擴展了電機的轉(zhuǎn)速范 圍--由零一直到遠(yuǎn)高于額定速度--從而使被傳動過程的生產(chǎn)效率得到顯著提高。在只需要一個較低容量的情況下，變頻器通過降低電機轉(zhuǎn)速來節(jié)約能源。

工程型變頻器可方便地實現(xiàn)多級速度同步、恒張力控制及卷取控制等應(yīng)用，內(nèi)部設(shè)計了多種具有行業(yè)應(yīng)用特點的功能模塊，如水箱式拉絲機連續(xù)拉伸退火控制、同步 控制起停時的零位變換控制、絞線機絞線與收線控制、直進式拉絲機自動跨?？刂?、大小盤切換控制等。應(yīng)用行業(yè)廣泛，有拉絲機行業(yè)、電線電纜行業(yè)、印染行業(yè)、 印刷包裝行業(yè)、冶金行業(yè)等。

工程型變頻器是項目類應(yīng)用的強力武器，除了標(biāo)準(zhǔn)型的柜式變頻器滿足絕大多數(shù)用戶需求，客戶化的定制型變頻柜和工程類解決方案型變頻柜更可以滿足客戶的特殊 需求。 　工程型系列產(chǎn)品的推出也將進一步擴大施耐德變頻器業(yè)務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如石化、hvac、鋼鐵、船舶、港口、造紙、能源熱力等。

變頻器的安裝設(shè)計基本要求 防塵控制柜的安裝要求 解決方案： 控制柜的風(fēng)道要設(shè)計合理 給微機控制板輸入電源加裝EMI濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等 對模擬傳感器檢測輸入和模擬控制信號進行電氣屏蔽和隔離 在變頻器實際應(yīng)用中，由于國內(nèi)客戶除少數(shù)有專用機房外，大多為了降低成本，將變頻器直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場。工作現(xiàn)場一般是灰塵大、溫度高，在南方還有濕度大的問題。對于線纜行業(yè)還有金屬粉塵，在陶瓷、印染等行業(yè)還有腐蝕性氣體和粉塵，在煤礦等場合，還有防爆的要求等等。因此必須根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的對策。

變頻器的安裝設(shè)計基本要求
(1)變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部。
(2)變頻器最好安裝在控制柜內(nèi)的中部;變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風(fēng)、進風(fēng)的大元件。
(3)變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部、或者隔板、或者必須安裝的大元件等的最小間距，應(yīng)該大于300mm。

柜內(nèi)安裝變頻器的基本要求
(4)如果特殊用戶在使用中需要取掉鍵盤，則變頻器面板的鍵盤孔，一定要用膠帶嚴(yán)格密封或者采用假面板替換，防止粉塵大量進入變頻器內(nèi)部。
(5)對變頻器要進行定期維護，及時清理內(nèi)部的粉塵等。
(6)其它的基本安裝、使用要求必須遵守用戶手冊上的有關(guān)說明;如有疑問請及時聯(lián)系相應(yīng)廠家技術(shù)支持人員。

防塵控制柜的設(shè)計要求
在多粉塵場所，特別是多金屬粉塵、絮狀物的場所使用變頻器時，采取正確、合理的防護措施是十分必要的，防塵措施得當(dāng)對保證變頻器正常工作非常重要?？傮w要求控制柜整體應(yīng)該密封，應(yīng)該通過專門設(shè)計的進風(fēng)口、出風(fēng)口進行通風(fēng);控制柜頂部應(yīng)該有防護網(wǎng)和防護頂蓋出風(fēng)口;控制柜底部應(yīng)該有底板和進風(fēng)口、進線孔，并且安裝防塵網(wǎng)。

(1)控制柜的風(fēng)道要設(shè)計合理，排風(fēng)通暢，避免在柜內(nèi)形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。
(2)控制柜頂部出風(fēng)口上面要安裝防護頂蓋，防止雜物直接落入；防護頂蓋高度要合理，不影響排風(fēng)。防護頂蓋的側(cè)面出風(fēng)口要安裝防護網(wǎng)，防止絮狀雜物直接落入。
(3)如果采用控制柜頂部側(cè)面排風(fēng)方式，出風(fēng)口必須安裝防護網(wǎng)。
(4)一定要確?？刂乒耥敳康妮S流風(fēng)機旋轉(zhuǎn)方向正確，向外抽風(fēng)。如果風(fēng)機安裝在控制柜頂部的外部，必須確保防護頂蓋與風(fēng)機之間有足夠的高度；如果風(fēng)機安裝在控制柜頂部的內(nèi)部，安裝所需螺釘必須采用止逆彈件，防止風(fēng)機脫落造成柜內(nèi)元件和設(shè)備的損壞。建議在風(fēng)機和柜體之間加裝塑料或者橡膠減振墊圈，可以大大減小風(fēng)機震動造成的噪音。
(5)控制柜的前、后門和其他接縫處，要采用密封墊片或者密封膠進行一定的密封處理，防止粉塵進入。
(6)控制柜底部、側(cè)板的所有進風(fēng)口、進線孔，一定要安裝防塵網(wǎng)。阻隔絮狀雜物進入。防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計為可拆卸式，以方便清理、維護。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格要小，能夠有效阻擋細(xì)小絮狀物(與一般家用防蚊蠅紗窗的網(wǎng)格相仿);或者根據(jù)具體情況確定合適的網(wǎng)格尺寸。防塵網(wǎng)四周與控制柜的結(jié)合處要處理嚴(yán)密。
(7)對控制柜一定要進行定期維護，及時清理內(nèi)部、外部的粉塵、絮毛等雜物。維護周期可根據(jù)具體情況而定，但應(yīng)該小于2～3個月;對于粉塵嚴(yán)重的場所，建議維護周期在1個月左右。

防塵控制柜的安裝要求
防潮濕霉變的控制柜的設(shè)計要求
多數(shù)變頻器廠家內(nèi)部的印制板、金屬結(jié)構(gòu)件均未進行防潮濕霉變的特殊處理，如果變頻器長期處于這種狀態(tài)，金屬結(jié)構(gòu)件容易產(chǎn)生銹蝕，對于導(dǎo)電銅排在高溫運行情況下，更加劇了銹蝕的過程。對于微機控制板和驅(qū)動電源板上的細(xì)小銅質(zhì)導(dǎo)線，由于銹蝕將造成損壞，因此，對于應(yīng)用于潮濕和和含有腐蝕性氣體的場合，必須對于使用變頻器的內(nèi)部設(shè)計有基本要求，例如印刷電路板必須采用三防漆噴涂處理，對于結(jié)構(gòu)件必須采用鍍鎳鉻等處理工藝。除此之外，還需要采取其它積極、有效、合理的防潮濕、防腐蝕氣體的措施。

(1)控制柜可以安裝在單獨的、密閉的采用空調(diào)的機房，此方法適用控制設(shè)備較多，建立機房的成本低于柜體單獨密閉處理的場合，此時控制柜可以采用如上防塵或者一般環(huán)境設(shè)計即可。
(2)采用獨立進風(fēng)口。單獨的進風(fēng)口可以設(shè)在控制柜的底部，通過獨立密閉地溝與外部干凈環(huán)境連接，此方法需要在進風(fēng)口處安裝一個防塵網(wǎng)，如果地溝超過5m以上時，可以考慮加裝鼓風(fēng)機。
(3)密閉控制柜內(nèi)可以加裝吸濕的干燥劑或者吸附毒性氣體的活性材料，并近期更換。

干擾問題
變頻器對微機控制板的干擾
在注塑機、電梯等的控制系統(tǒng)中，多采用微機或者PLC進行控制，在系統(tǒng)設(shè)計或者改造過程中，一定要注意變頻器對微機控制板的干擾問題。由于用戶自己設(shè)計的微機控制板一般工藝水平差，不符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，在采用變頻器后，產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射干擾，往往導(dǎo)致控制系統(tǒng)工作異常，因此需要采取必要措施。

(1)良好的接地。電機等強電控制系統(tǒng)的接地線必須通過接地匯流排可靠接地，微機控制板的屏蔽地，最好單獨接地。對于某些干擾嚴(yán)重的場合，建議將傳感器、I/O接口屏蔽層與控制板的控制地相連。

(2)給微機控制板輸入電源加裝EMI濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等，成本低。可以有效抑制傳導(dǎo)干擾。另外在輻射干擾嚴(yán)重的場合，如周圍存在GSM、或者小靈通機站時，可以對微機控制板添加金屬網(wǎng)狀屏蔽罩進行屏蔽處理。
微機控制板的電源抗干擾措施

(3)給變頻器輸入加裝EMI濾波器，可以有效抑制變頻器對電網(wǎng)的傳導(dǎo)干擾，加裝輸入交流和直流電抗器L1、L2，可以提高功率因數(shù)，減小諧波污染，綜合效果好。在某些電機與變頻器之間距離超過100m的場合，需要在變頻器側(cè)添加交流輸出電抗器L3，解決因為輸出導(dǎo)線對地分布參數(shù)造成的漏電流保護和減少對外部的輻射干擾。一個行之有效的方法就是采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，并將鋼管外殼或者電纜屏蔽層與大地可靠連接。請注意，在不添加交流輸出電抗器L3時，如果采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，增大了輸出對地的分布電容，容易出現(xiàn)過流。當(dāng)然在實際中一般只采取其中的一種或者幾種方法。

減小變頻器對外部控制設(shè)備的干擾措施
(4)對模擬傳感器檢測輸入和模擬控制信號進行電氣屏蔽和隔離。在變頻器組成的控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，建議盡量不要采用模擬控制，特別是控制距離大于1M，跨控制柜安裝的情況下。因為變頻器一般都有多段速設(shè)定、開關(guān)頻率量輸入輸出，可以滿足要求。如果非要用模擬量控制時，建議一定采用屏蔽電纜，并在傳感器側(cè)或者變頻器側(cè)實現(xiàn)遠(yuǎn)端一點接地。如果干擾仍舊嚴(yán)重，需要實現(xiàn)DC/DC隔離措施?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)的DC/DC模塊，或者采用V/F轉(zhuǎn)換，光藕隔離再采用頻率設(shè)定輸入的方法。

變頻器本身抗干擾問題
當(dāng)變頻器的供電系統(tǒng)附近，存在高頻沖擊負(fù)載如電焊機、電鍍電源、電解電源或者采用滑環(huán)供電的場合，變頻器本身容易因為干擾而出現(xiàn)保護。建議用戶采用如下措施：
(1)在變頻器輸入側(cè)添加電感和電容，構(gòu)成LC濾波網(wǎng)絡(luò)。
(2)變頻器的電源線直接從變壓器側(cè)供電。
(3)在條件許可的情況下，可以采用單獨的變壓器。
(4)在采用外部開關(guān)量控制端子控制時，連接線路較長時，建議采用屏蔽電纜。當(dāng)控制線路與主回路電源均在地溝中埋設(shè)時，除控制線必須采用屏蔽電纜外，主電路線路必須采用鋼管屏蔽穿線，減小彼此干擾，防止變頻器的誤動作。
(5)在采用外部模擬量控制端子控制時，如果連接線路在1M以內(nèi)，采用屏蔽電纜連接，并實施變頻器側(cè)一點接地即可;如果線路較長，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重的場合，建議在變頻器側(cè)加裝DC/DC隔離模塊或者采用經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換，采用頻率指令給定模式進行控制。
(6)在采用外部通信控制端子控制時，建議采用屏蔽雙絞線，并將變頻器側(cè)的屏蔽層接地(PE)，如果干擾非常嚴(yán)重，建議將屏蔽層接控制電源地(GND)。對于RS232通信方式，注意控制線路盡量不要超過15m，如果要加長，必須隨之降低通信波特率，在100m左右時，能夠正常通信的波特率小于600bps。對于RS485通信，還必須考慮終端匹配電阻等。對于采用現(xiàn)場總線的高速控制系統(tǒng)，通信電纜必須采用專用電纜，并采用多點接地的方式，才能夠提高可靠性。

電網(wǎng)質(zhì)量問題
在高頻沖擊負(fù)載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合，電壓經(jīng)常出現(xiàn)閃變;在一個車間中，有幾百臺變頻器等容性整流負(fù)載在工作時，電網(wǎng)的諧波非常大，對于電網(wǎng)質(zhì)量有很嚴(yán)重的污染，對設(shè)備本身也有相當(dāng)?shù)钠茐淖饔茫p則不能夠連續(xù)正常運行，重則造成設(shè)備輸入回路的損壞?？梢圆扇∫韵碌拇胧?/span>

集中整流的直流共母線供電方式
(1)在高頻沖擊負(fù)載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合建議用戶增加無功靜補裝置，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和質(zhì)量。
(2)在變頻器比較集中的車間，建議采用集中整流，直流共母線供電方式。建議用戶采用12脈沖整流模式。優(yōu)點是，諧波小、節(jié)能，特別適用于頻繁起制動、電動運行與發(fā)電運行同時進行的場合。
(3)變頻器輸入側(cè)加裝無源LC濾波器，減小輸入諧波，提高功率因數(shù)，成本較低，可靠性高，效果好。
(4)變頻器輸入側(cè)加裝有源PFC裝置，效果最好，但成本較高。

電機的漏電、軸電壓與軸承電流問題
變頻器驅(qū)動感應(yīng)電機的電機模型，Csf為定子與機殼之間的等效電容，Csr為定子與轉(zhuǎn)子之間的等效電容，Crf為轉(zhuǎn)子與機殼之間的等效電容，Rb為軸承對軸的電阻;Cb和Zb為軸承油膜的電容和非線性阻抗。高頻PWM脈沖輸入下，電機內(nèi)分布電容的電壓耦合作用構(gòu)成系統(tǒng)共?；芈?，從而引起對地漏電流、軸電壓與軸承電流問題。

變頻器驅(qū)動感應(yīng)電機的電機模型
漏電流主要是PWM三相供電電壓極其瞬時不平衡電壓與大地之間通過Csf產(chǎn)生。其大小與PWM的dv/dt大小與開關(guān)頻率大小有關(guān)，其直接結(jié)果將導(dǎo)致帶有漏電保護裝置動作。另外，對于舊式電機，由于其絕緣材料差，又經(jīng)過長期運行老化，有些在經(jīng)過變頻改造后造成絕緣損壞。因此，建議在改造前，必須進行絕緣的測試。對于新的變頻電機的絕緣，要求要比標(biāo)準(zhǔn)電機高出一個等級。

軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、EDM(ElectricDischargeMachining)電流和環(huán)路電流。軸電壓的大小不僅與電機內(nèi)各部分耦合電容參數(shù)有關(guān)，且與脈沖電壓上升時間和幅值有關(guān)。dv/dt電流主要與PWM的上升時間tr有關(guān)，tr越小，dv/dt電流的幅值越大;逆變器載波頻率越高，軸承電流中的dv/dt電流成分越多。EDM電流出現(xiàn)存在一定的偶然性，只有當(dāng)軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內(nèi)部發(fā)生接觸時，存儲在電子轉(zhuǎn)子對地電容Crf上的電荷(1/2Crf×Urf)通過軸承等效回路Rb、Cb和Zb對地進行火花式放電，造成軸承光潔度下降，降低使用壽命，嚴(yán)重地造成直接損壞。損壞程度主要取決于軸電壓和存儲在電子轉(zhuǎn)子對地電容Crf的大小。

環(huán)路電流發(fā)生在電網(wǎng)變壓器地線、變頻器地線、電機地線及電機負(fù)載與大地地線之間的回路(如水泵類負(fù)載)中。環(huán)路電流主要造成傳導(dǎo)干擾和地線干擾，對變頻器和電機影響不大。避免或者減小環(huán)流的方法就是盡可能減小地線回路的阻抗。由于變頻器接地線(PE變頻器)一般與電機接地線(PE電機1)連接在一個點，因此，必須盡可能加粗電機接地電纜線徑，減小兩者之間的電阻，同時變頻器與電源之間的地線采用地線銅母排或者專用接地電纜，保證良好接地。對于潛水深井泵這樣的負(fù)載，接地阻抗ZE電機2可能小于ZE變壓器與ZE變頻器之和，容易形成地環(huán)流，建議斷開ZE變頻器，抗干擾效果好。

在變頻器輸出端串由電感、RC組成的正弦波濾波器是抑制軸電壓與軸承電流的有效途徑。目前有多家廠家可提供標(biāo)準(zhǔn)濾波器。本文從變頻器實際應(yīng)用系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題出發(fā)，從應(yīng)用環(huán)境、電磁兼容、電網(wǎng)質(zhì)量、電機絕緣等方面，有針對性地提出了一些解決問題的方法及改進的建議，對于變頻器在實際工程中的應(yīng)用有一定的參考價值。