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一、变频器的合理选用
! B' T0 c- f, U* G, c 变频器的选用,应按照被控对象的类型、调速范围、静态速度精度、启动转矩等来考虑,使之在满足工艺和生产要求的同时,既好用,又经济。# k2 Y. d: v( u. k0 x# T
5 V- k+ c* Q8 b8 H+ I 1. 变频器及被控制的电机9 k! F$ Q( k3 E6 B* s& A
(1)电机的极数。一般电机极数以不多于4 极为宜,否则变频器容量就要适当加大。& t$ |9 V5 s! p8 j% Z
(2)转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电机功率情况下,相对于高过载转矩模式,变频器规格可以降格选取。
7 J% g& f2 } d8 S) p- z (3)电磁兼容性。为减少主电源干扰,在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器,或安装前置隔离变压器。一般当电机与变频器距离超过50m时,应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。
3 W. k \) f: x) Z 表1 列出不同类型变频器的主要性能、应用场合。
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8 G1 X6 z& _( ~& w& S5 d, I 2. 变频器箱体结构的选用0 b: B) {; ?$ A! O- v
变频器的箱体结构要与条件相适应,必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。有下列几种常见结构:
; w- @! e9 T; C (1) 敞开型IP00型。本身无机箱,可装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上,尤其适于多台变频器集中使用时选用,但环境条件要求较高。. y' Z/ ? H# j! e2 z
(2)封闭型IP20 型。适于一般用途,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合。' \ L: X/ u9 R. z9 S
(3)密封型IP45 型。适于工业现场条件较差的环境。
' _# Z) P' G5 l8 a5 P+ { (4)密闭型IP65 型。适于环境条件差,有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。9 g& b% o) J( E9 b6 o+ i) j+ N! `
; Z* @# m8 k% ~- M7 a) U: @ 3. 变频器功率的选用
W0 Z. R+ U7 l! Y% e# [, P 变频器负载率β与效率η的关系曲线见图1。由图1 可见:当β= 50%时,η= 94%;当β= 100%时,η= 96%。虽然β增一倍,η变化仅2%,但对中大功率(几百千瓦至几千千瓦) 电动机而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积。从效率角度出发,在选用变频器功率时,要注意以下几点。. H: B- K! S& @, O6 L& l
4 O: A3 |3 A R+ y- }, o# S }5 M) L
(1)变频器功率与电动机功率相当时为最合适,以利于变频器在高效率状态下运转。
! v- O7 i+ j+ @2 _6 Z0 R# X6 N2 s (2)在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时,则变频器的功率要尽可能接近电动机
$ ^) ]& h0 `9 h& H 的功率,并且应略大于电动机的功率。' @! c2 X! ?# I
(3)当电动机属频繁启动、制动工作或处于重载启动且较频繁时,可选取大一级的变频器,以利于变频器长期、安全地运行。 q1 f7 M$ k! {* W& C7 ^
(4)经测试,电动机实际功率确实有富余,可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器,但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。
2 d( X1 [* ?: l3 N (5) 当变频器与电动机功率不相同时,则必须相应调整节能 程序的设置,以利于达到较高的节能效果。1 T3 ^! Q9 A0 z( f
. J9 V; o) X: W$ I/ ?6 l 4. 变频器容量的确定) ]- D0 f& a3 Q8 v
合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验,比较简便的方法有三种。
h3 _9 x# I" w (1) 电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。
8 ^. K! @& A' f! d) D' Z (2) 公式法。设安全系数取1. 05 ,则变频器的容量pb 为:/ N7 i# S8 [/ T* R4 j7 S: N. W
pb = 1. 05 pm/ hm ×cosφ,kW
$ Z" O# }' v4 g% O$ K- L 式中 pm ———电机负载,kW# y7 ]; q i _& [. G
hm ———电机功率,kW3 t* a- o k! S
计算出pb 后,按变频器产品目录选具体规格。# j8 b% E. v" Q# _ L: D0 O% \# L
当一台变频器用于多台电机时,至少要考虑一台电动机启动电流的影响,以避免变频器过流跳闸。( l, Q' U. P( Y0 F7 a
③电机额定电流法。变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。对于轻负载类,变频器电流一般应按1. 1 In ( In 为电动机额定电流) 来选择,或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。1 e2 z: l/ d' p
: _) l+ y; ^; c) G" d, |, |) _6 ]' |9 T 5. 主电源
3 J' E" }1 B; {& a/ {3 P& z (1) 电源电压及波动。应特别注意与变频器低电压保护整定值相适应(出厂时一般设定为0. 8～0. 9Un ) ,因为在实际使用中,电网电压偏低的可能性较大。* ]9 z5 Z* B. @
(2) 主电源频率波动和谐波干扰。这方面的干扰会增加变频器系统的热损耗,导致噪声增加,输出降低。
# D# F* C3 k$ l# E% R. e: s& v. ~& i (3) 变频器和电机在工作时,自身的功率消耗。在进行系统主电源供电设计时,两者的功率消耗因素都应考虑进去。
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二、变频器应用中的抗干扰措施 l) }! r; L8 V1 r& x3 }# r+ K
变频器在应用中的干扰主要表现为:高次谐波、噪声与振动、负载匹配、发热等问题。这些干扰是不可避免的,因为变频器的输入部分为整流电路,输出部分为逆变电路,它们都是由起开关作用的非线性元件组成的,而在开断电路的过程中,都要产生高次谐波,从而使其输入电源和输出的电压波形和电流波形产生畸变。下面针对谐波问题进行分析并提出相应措施。
D7 i1 D; @0 e, f2 {. C& x 容量较小的变频器,高次谐波的影响较小。但容量较大或数量较多时,就必须处理由高次谐波电流引起的高次谐波干扰,否则将影响到设备和检测元件,严重时可能使这些设备误动作。根据英国的ACE 报告,各种对象对高次谐波的敏感程度如下:电动机在10 %～20 %以下无影响;仪表电压畸变10 % ,电流畸变10 % ,误差在1 %以下;电子开关超过10 %会产生误动作;计算机超过5 %会出错。鉴于以上情况,在工业现场中,必须采取措施降低干扰,把干扰抑制在允许的范围内。& k$ b# I3 A. l! d T3 a' f/ B4 L
1. 切断干扰传播途径
/ ^, H4 l4 @# v G0 L (1) 干扰的传播常通过共用的接地线传播。将动力线的接地与控制线的接地分开是切断这一途径的根本方法,即将动力装置的接地端子接到地线上,将控制装置的接地端子接到该装置盘的金属外壳上。
& B; d7 O N8 o- |& S' u8 I* [+ @ (2) 信号线靠近有干扰源的导线时,干扰会被诱导到信号线上,使信号受到干扰,布线分离对消除这种干扰行之有效。实际工程中需把高压电缆、动力电缆、控制电缆常常与仪表电缆、计算机电缆分开布线,分走不同的桥架。变频器的控制线也最好与其主回路线路以垂直的方式布线。$ x2 u4 \% l5 z2 z, B
2. 抑制高次谐波* M7 G' u. M2 d, h
(1) 在变频器前侧安装线路电抗器,可抑制电源侧过电压,并降低变频器产生的电流畸变,避免使主电源受到严重干扰。+ \% s! ^5 i: a2 n. l; K3 o
该方案价格便宜,但限制谐波的效率有限,且电抗太大时会产生无法接受的电压降损失。! R& B% E& b) t6 ~4 a/ j% I) N% C
(2) 在变频器前加装LC 无源滤波器,滤掉高次谐波,通常滤掉5 次和7 次谐波,但该方法完全取决于电源和负载,灵活性小。
4 @6 v6 L* S$ ?4 ]+ z; o (3) 设置专用滤波器用来检测变频器和相位,并产生一个与谐波电流的幅值相同且相位正好相反的电流,通到变频器中,从而可以有效地吸收谐波电流。
6 A! Y( j4 A8 m (4) 当设备的附近环境受到电磁干扰时,应装设抗射频干扰滤波器,可减少主电源的传导发射,且要采取措施屏蔽电机电缆。
+ g0 w' P3 N* S! s2 s- u (5) 当电机电缆长度大于50m或80m(非屏蔽) 时,为了防止电机启动时的瞬时过电压,减少电机对地的泄漏电流和噪声,保护电动机,在变频器与电机之间安装电抗器。
- F# p/ e7 `! f (6) 增加变频器供电电源内阻抗。通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用,内阻抗越大,谐波含量越小,这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时,最好选择短路阻抗大的变压器。
" H$ m0 |3 Y) _" n (7) 采用变压器多相运行。通用变频器为六脉波整流器,因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行,使相位角互差30°,如Y- Δ、Δ- Δ组合的变压器构成12 脉波的效果,可减小低次谐波电流,很好的抑制谐波
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! B' T0 c- f, U* G, c 变频器的选用,应按照被控对象的类型、调速范围、静态速度精度、启动转矩等来考虑,使之在满足工艺和生产要求的同时,既好用,又经济。# k2 Y. d: v( u. k0 x# T
5 V- k+ c* Q8 b8 H+ I 1. 变频器及被控制的电机9 k! F$ Q( k3 E6 B* s& A
(1)电机的极数。一般电机极数以不多于4 极为宜,否则变频器容量就要适当加大。& t$ |9 V5 s! p8 j% Z
(2)转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电机功率情况下,相对于高过载转矩模式,变频器规格可以降格选取。
7 J% g& f2 } d8 S) p- z (3)电磁兼容性。为减少主电源干扰,在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器,或安装前置隔离变压器。一般当电机与变频器距离超过50m时,应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。
3 W. k \) f: x) Z 表1 列出不同类型变频器的主要性能、应用场合。
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8 G1 X6 z& _( ~& w& S5 d, I 2. 变频器箱体结构的选用0 b: B) {; ?$ A! O- v
变频器的箱体结构要与条件相适应,必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。有下列几种常见结构:
; w- @! e9 T; C (1) 敞开型IP00型。本身无机箱,可装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上,尤其适于多台变频器集中使用时选用,但环境条件要求较高。. y' Z/ ? H# j! e2 z
(2)封闭型IP20 型。适于一般用途,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合。' \ L: X/ u9 R. z9 S
(3)密封型IP45 型。适于工业现场条件较差的环境。
' _# Z) P' G5 l8 a5 P+ { (4)密闭型IP65 型。适于环境条件差,有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。9 g& b% o) J( E9 b6 o+ i) j+ N! `
; Z* @# m8 k% ~- M7 a) U: @ 3. 变频器功率的选用
W0 Z. R+ U7 l! Y% e# [, P 变频器负载率β与效率η的关系曲线见图1。由图1 可见:当β= 50%时,η= 94%;当β= 100%时,η= 96%。虽然β增一倍,η变化仅2%,但对中大功率(几百千瓦至几千千瓦) 电动机而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积。从效率角度出发,在选用变频器功率时,要注意以下几点。. H: B- K! S& @, O6 L& l
4 O: A3 |3 A R+ y- }, o# S }5 M) L
(1)变频器功率与电动机功率相当时为最合适,以利于变频器在高效率状态下运转。
! v- O7 i+ j+ @2 _6 Z0 R# X6 N2 s (2)在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时,则变频器的功率要尽可能接近电动机
$ ^) ]& h0 `9 h& H 的功率,并且应略大于电动机的功率。' @! c2 X! ?# I
(3)当电动机属频繁启动、制动工作或处于重载启动且较频繁时,可选取大一级的变频器,以利于变频器长期、安全地运行。 q1 f7 M$ k! {* W& C7 ^
(4)经测试,电动机实际功率确实有富余,可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器,但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。
2 d( X1 [* ?: l3 N (5) 当变频器与电动机功率不相同时,则必须相应调整节能 程序的设置,以利于达到较高的节能效果。1 T3 ^! Q9 A0 z( f
. J9 V; o) X: W$ I/ ?6 l 4. 变频器容量的确定) ]- D0 f& a3 Q8 v
合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验,比较简便的方法有三种。
h3 _9 x# I" w (1) 电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。
8 ^. K! @& A' f! d) D' Z (2) 公式法。设安全系数取1. 05 ,则变频器的容量pb 为:/ N7 i# S8 [/ T* R4 j7 S: N. W
pb = 1. 05 pm/ hm ×cosφ,kW
$ Z" O# }' v4 g% O$ K- L 式中 pm ———电机负载,kW# y7 ]; q i _& [. G
hm ———电机功率,kW3 t* a- o k! S
计算出pb 后,按变频器产品目录选具体规格。# j8 b% E. v" Q# _ L: D0 O% \# L
当一台变频器用于多台电机时,至少要考虑一台电动机启动电流的影响,以避免变频器过流跳闸。( l, Q' U. P( Y0 F7 a
③电机额定电流法。变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。对于轻负载类,变频器电流一般应按1. 1 In ( In 为电动机额定电流) 来选择,或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。1 e2 z: l/ d' p
: _) l+ y; ^; c) G" d, |, |) _6 ]' |9 T 5. 主电源
3 J' E" }1 B; {& a/ {3 P& z (1) 电源电压及波动。应特别注意与变频器低电压保护整定值相适应(出厂时一般设定为0. 8～0. 9Un ) ,因为在实际使用中,电网电压偏低的可能性较大。* ]9 z5 Z* B. @
(2) 主电源频率波动和谐波干扰。这方面的干扰会增加变频器系统的热损耗,导致噪声增加,输出降低。
# D# F* C3 k$ l# E% R. e: s& v. ~& i (3) 变频器和电机在工作时,自身的功率消耗。在进行系统主电源供电设计时,两者的功率消耗因素都应考虑进去。
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二、变频器应用中的抗干扰措施 l) }! r; L8 V1 r& x3 }# r+ K
变频器在应用中的干扰主要表现为:高次谐波、噪声与振动、负载匹配、发热等问题。这些干扰是不可避免的,因为变频器的输入部分为整流电路,输出部分为逆变电路,它们都是由起开关作用的非线性元件组成的,而在开断电路的过程中,都要产生高次谐波,从而使其输入电源和输出的电压波形和电流波形产生畸变。下面针对谐波问题进行分析并提出相应措施。
D7 i1 D; @0 e, f2 {. C& x 容量较小的变频器,高次谐波的影响较小。但容量较大或数量较多时,就必须处理由高次谐波电流引起的高次谐波干扰,否则将影响到设备和检测元件,严重时可能使这些设备误动作。根据英国的ACE 报告,各种对象对高次谐波的敏感程度如下:电动机在10 %～20 %以下无影响;仪表电压畸变10 % ,电流畸变10 % ,误差在1 %以下;电子开关超过10 %会产生误动作;计算机超过5 %会出错。鉴于以上情况,在工业现场中,必须采取措施降低干扰,把干扰抑制在允许的范围内。& k$ b# I3 A. l! d T3 a' f/ B4 L
1. 切断干扰传播途径
/ ^, H4 l4 @# v G0 L (1) 干扰的传播常通过共用的接地线传播。将动力线的接地与控制线的接地分开是切断这一途径的根本方法,即将动力装置的接地端子接到地线上,将控制装置的接地端子接到该装置盘的金属外壳上。
& B; d7 O N8 o- |& S' u8 I* [+ @ (2) 信号线靠近有干扰源的导线时,干扰会被诱导到信号线上,使信号受到干扰,布线分离对消除这种干扰行之有效。实际工程中需把高压电缆、动力电缆、控制电缆常常与仪表电缆、计算机电缆分开布线,分走不同的桥架。变频器的控制线也最好与其主回路线路以垂直的方式布线。$ x2 u4 \% l5 z2 z, B
2. 抑制高次谐波* M7 G' u. M2 d, h
(1) 在变频器前侧安装线路电抗器,可抑制电源侧过电压,并降低变频器产生的电流畸变,避免使主电源受到严重干扰。+ \% s! ^5 i: a2 n. l; K3 o
该方案价格便宜,但限制谐波的效率有限,且电抗太大时会产生无法接受的电压降损失。! R& B% E& b) t6 ~4 a/ j% I) N% C
(2) 在变频器前加装LC 无源滤波器,滤掉高次谐波,通常滤掉5 次和7 次谐波,但该方法完全取决于电源和负载,灵活性小。
4 @6 v6 L* S$ ?4 ]+ z; o (3) 设置专用滤波器用来检测变频器和相位,并产生一个与谐波电流的幅值相同且相位正好相反的电流,通到变频器中,从而可以有效地吸收谐波电流。
6 A! Y( j4 A8 m (4) 当设备的附近环境受到电磁干扰时,应装设抗射频干扰滤波器,可减少主电源的传导发射,且要采取措施屏蔽电机电缆。
+ g0 w' P3 N* S! s2 s- u (5) 当电机电缆长度大于50m或80m(非屏蔽) 时,为了防止电机启动时的瞬时过电压,减少电机对地的泄漏电流和噪声,保护电动机,在变频器与电机之间安装电抗器。
- F# p/ e7 `! f (6) 增加变频器供电电源内阻抗。通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用,内阻抗越大,谐波含量越小,这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时,最好选择短路阻抗大的变压器。
" H$ m0 |3 Y) _" n (7) 采用变压器多相运行。通用变频器为六脉波整流器,因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行,使相位角互差30°,如Y- Δ、Δ- Δ组合的变压器构成12 脉波的效果,可减小低次谐波电流,很好的抑制谐波