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變頻器運行過程中存在的問題及其對策

發布時間：2011-10-10

變頻器運行過程中存在的問題及其對策自80年代通用變頻器進入中國市場以來，在短短的十幾年時間里得到了非常廣泛的應用。目前，通用變頻器以其智能化、數字化、網絡化等優點越來越受到人們的青睞。隨著通用變頻器應用范圍的擴大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾方面:
① 諧波問題
② 變頻器負載匹配問題
③ 發熱問題
以上這些問題已經引起了有關管理部門和廠礦的注意并制定了相關的技術標準。如諧波問題，我國于1984年和1993年通過了“電力系統諧波管理暫行規定”及GB/T-14549-93標準，用以限制供電系統及用電設備的諧波污染。針對上述問題，本文進行了分析并提出了解決方案及對策。
2 諧波問題及其對策
通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成:整流部分、逆變部分和濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形。對于雙極性調制的變頻器，其輸出電壓波形展開式為:
(1)
式中:n—諧波的次數n=1,3,5……;
a1—開關角， i=1,2,3……N/2;
Ed—變頻器直流側電壓;
N—載波比。
由(1)式可見，各項諧波的幅值為
(2)
令n=1，則得出變頻器輸出電壓的基波幅值為:
(3)
從(1)、(2)、(3)式可以看出，通用變頻器的輸出電壓中確實含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。
如前所述，由于通用變頻器的整流部分采用二極管不可控橋式整流電路，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，所以整流器的輸入電流實際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。為了消除諧波，可采用以下對策:
① 增加變頻器供電電源內阻抗
通常情況下，電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器???量越小時，則內阻抗值相對越大，諧波含量越??；電源容量相對變頻器容量越大時，則內阻抗值相對越大，諧波含量越大。對于三菱FR-F540系列變頻器，當電源內阻為4%時，可以起到很好的諧波抑制作用。所以選擇變頻器供電電源變壓器時，*好選擇短路阻抗大的變壓器。
② 安裝電抗器
安裝電抗器實際上從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側安裝交流電抗器或在變頻器的直流側安裝直流電抗器，或同時安裝，抑制諧波電流。表一列出了三菱FR-A540變頻器安裝電抗器和不安裝電抗器的含量對照表。
③ 變壓器多相運行
通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所以產生的諧波較大。如果應用變壓器的多相運行，使相位角互差30°如Y-△、△-△組合的兩個變壓器構成相當于12脈波的效果則可減小低次諧波電流28%，起到了很好的諧波抑制作用。
④ 調節變頻器的載波比
從(1)、(2)、(3)式可以看出，只要載波比足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制，特別是參考波幅值與載波幅值小于1時，13次以下的奇數諧波不再出現。
⑤ 專用濾波器
該專用濾波器用于檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產生一個與諧波電流幅值相同且相位正好相反的電流，通到變頻器中，從而可以非常有效地吸收諧波電流。
3 負載匹配問題及其對策
生產機械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉矩特性是復雜的，大體分為三種類型:恒轉矩負載、風機泵類負載和恒功率負載。針對不同的負載類型，應選擇不同類型的變頻器。
① 恒轉矩負載
恒轉矩負載是指負載轉矩與轉速無關，任何轉速下，轉矩均保持恒定。恒轉矩負載又分為摩擦類負載和位能式負載。
摩擦類負載的起動轉矩一般要求額定轉矩的150%左右，制動轉矩一般要求額定轉矩的100%左右，所以變頻器應選擇那些具有恒定轉矩特性,并且起動和制動轉矩都比較大，過載時間長和過載能力大的變頻器。如三菱變頻器FR-A540系列。
位能式負載一般要求大的起動轉矩和能量回饋功能，能夠快速實現正反轉，變頻器應選擇具有四象限運行能力的變頻器。如三菱變頻器FR-A241系列。
② 風機泵類負載
風機泵類負載是目前工業現場應用*多的設備，雖然泵和風機的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風機應用為主，通用變頻器在這類負載上的應用*多。風機泵類負載是一種平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，轉矩T與泵的軸功率N有如下關系式:
(4)
這類負載對變頻器的性能要求不高，只要求經濟性和可靠性，所以選擇具有U/f=const控制模式的變頻器即可。如三菱變頻器FR-F540（L）系列。風機負載在實際運行過程中，由于轉動慣量比較大，所以變頻器的加速時間和減速時間是一個非常重要的問題，可按下列公式進行計算:
(5)
(6)
式中:tACC—加速時間(s);
tDEC—減速時間(s);
GD2—折算到電機軸上的轉動慣量（N·m2 ）;
g—重力加速度，g=9.81(m/s2);
TM—電動機的電磁轉矩(N.m);
TL—負載轉矩(N.m);
nAS—系統加速時的初始速度（r/min）;
nAE—系統加速時的終止速度（r/min）;
nDS—系統減速時的初始速度（r/min）;
nDE—系統減速時的終止速度（r/min）。
從上式可以看出，風機負載的系統轉動慣量計算是非常重要的。變頻器具體設計時，按上式計算結果，進行適當修正，在變頻器起動時不發生過流跳閘和變頻器減速時不發生過電壓跳閘的情況下，選擇*短時間。
泵類負載在實際運行過程中，容易發生喘振、憋壓和水垂效應，所以變頻器選型時，要選擇適于泵類負載的變頻器且變頻器在功能設定時要針對上述問題進行單獨設定:
喘振:測量易發生喘振的頻率點，通過設定跳躍頻率點和寬度，避免系統發生共振現象。
憋壓:泵類負載在低速運行時，由于系統憋壓而導致流量為零，從而造成泵燒壞。在變頻器功能設定時，通過限定變頻器的*低頻率，而限定了泵流量的臨界點處的系統*低轉速，這就避免了此類現象的發生。

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變頻器運行過程中存在的問題及其對策