引言
隨著通用變頻器市場的日益繁榮，不包括OEM進(jìn)口變頻器，中國通用變頻器年用量超過25億元人民幣，變頻器及其附屬設(shè)備的安裝、調(diào)試、日常維護(hù)及維修工作量劇增，給用戶造成重大直接和間接損失。本文就針對(duì)造成以上問題的原因，根據(jù)大量用戶的實(shí)際應(yīng)用情況，從應(yīng)用環(huán)境、電磁干擾與抗干擾、電網(wǎng)質(zhì)量、電機(jī)絕緣等方面進(jìn)行了分析，提出了一些改進(jìn)的建議。
2 工作環(huán)境問題
在變頻器實(shí)際應(yīng)用中，由于國內(nèi)客戶除少數(shù)有專用機(jī)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(duì)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(duì)策。
2.1 變頻器的安裝設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)入變頻器內(nèi)部。
(5) 對(duì)變頻器要進(jìn)行定期維護(hù)，及時(shí)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(cè)上的有關(guān)說明;如有疑問請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系相應(yīng)廠家技術(shù)支持人員。
2.2 防塵控制柜的設(shè)計(jì)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(shí)，采取正確、合理的防護(hù)措施是十分必要的，防塵措施得當(dāng)對(duì)保證變頻器正常工作非常重要。總體要求控制柜整體應(yīng)該密封，應(yīng)該通過專門設(shè)計(jì)的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng);控制柜頂部應(yīng)該有防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)頂蓋出風(fēng)口;控制柜底部應(yīng)該有底板和進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)線孔，并且安裝防塵網(wǎng)。
(1) 控制柜的風(fēng)道要設(shè)計(jì)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(hù)頂蓋，防止雜物直接落入；防護(hù)頂蓋高度要合理，不影響排風(fēng)。防護(hù)頂蓋的側(cè)面出風(fēng)口要安裝防護(hù)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(hù)網(wǎng)。
(4) 一定要確保控制柜頂部的軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向正確，向外抽風(fēng)。如果風(fēng)機(jī)安裝在控制柜頂部的外部，必須確保防護(hù)頂蓋與風(fēng)機(jī)之間有足夠的高度；如果風(fēng)機(jī)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(jī)脫落造成柜內(nèi)元件和設(shè)備的損壞。建議在風(fēng)機(jī)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(jī)震動(dòng)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(jìn)行一定的密封處理，防止粉塵進(jìn)入。
(6) 控制柜底部、側(cè)板的所有進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)線孔，一定要安裝防塵網(wǎng)。阻隔絮狀雜物進(jìn)入。防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為可拆卸式，以方便清理、維護(hù)。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(duì)控制柜一定要進(jìn)行定期維護(hù)，及時(shí)清理內(nèi)部、外部的粉塵、絮毛等雜物。維護(hù)周期可根據(jù)具體情況而定，但應(yīng)該小于2～3個(gè)月;對(duì)于粉塵嚴(yán)重的場所，建議維護(hù)周期在1個(gè)月左右。
防塵控制柜的安裝要求
2.3 防潮濕霉變的控制柜的設(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)于導(dǎo)電銅排在高溫運(yùn)行情況下，更加劇了銹蝕的過程。對(duì)于微機(jī)控制板和驅(qū)動(dòng)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(duì)于應(yīng)用于潮濕和和含有腐蝕性氣體的場合，必須對(duì)于使用變頻器的內(nèi)部設(shè)計(jì)有基本要求，例如印刷電路板必須采用三防漆噴涂處理，對(duì)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(dú)的、密閉的采用空調(diào)的機(jī)房，此方法適用控制設(shè)備較多，建立機(jī)房的成本低于柜體單獨(dú)密閉處理的場合，此時(shí)控制柜可以采用如上防塵或者一般環(huán)境設(shè)計(jì)即可。
(2) 采用獨(dú)立進(jìn)風(fēng)口。單獨(dú)的進(jìn)風(fēng)口可以設(shè)在控制柜的底部，通過獨(dú)立密閉地溝與外部干凈環(huán)境連接，此方法需要在進(jìn)風(fēng)口處安裝一個(gè)防塵網(wǎng)，如果地溝超過5m以上時(shí)，可以考慮加裝鼓風(fēng)機(jī)。
(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。
3 干擾問題
3.1 變頻器對(duì)微機(jī)控制板的干擾
在注塑機(jī)、電梯等的控制系統(tǒng)中，多采用微機(jī)或者PLC進(jìn)行控制，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者改造過程中，一定要注意變頻器對(duì)微機(jī)控制板的干擾問題。由于用戶自己設(shè)計(jì)的微機(jī)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(jī)等強(qiáng)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(jī)控制板的屏蔽地，最好單獨(dú)接地。對(duì)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[3]。
(2) 給微機(jī)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(jī)站時(shí)，可以對(duì)微機(jī)控制板添加金屬網(wǎng)狀屏蔽罩進(jìn)行屏蔽處理。
微機(jī)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(duì)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(jī)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?yàn)檩敵鰧?dǎo)線對(duì)地分布參數(shù)造成的漏電流保護(hù)和減少對(duì)外部的輻射干擾。一個(gè)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(qǐng)注意，在不添加交流輸出電抗器L3時(shí)，如果采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，增大了輸出對(duì)地的分布電容，容易出現(xiàn)過流。當(dāng)然在實(shí)際中一般只采取其中的一種或者幾種方法。
減小變頻器對(duì)外部控制設(shè)備的干擾措施
(4) 對(duì)模擬傳感器檢測輸入和模擬控制信號(hào)進(jìn)行電氣屏蔽和隔離。在變頻器組成的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)樽冾l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(shí)，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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端一點(diǎn)接地。如果干擾仍舊嚴(yán)重，需要實(shí)現(xiàn)DC/DC隔離措施。可以采用標(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。
3.2 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(jī)、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?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)保護(hù)。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(dú)的變壓器。
(4) 在采用外部開關(guān)量控制端子控制時(shí)，連接線路較長時(shí)，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(shí)，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(dòng)作。
(5) 在采用外部模擬量控制端子控制時(shí)，如果連接線路在1M以內(nèi)，采用屏蔽電纜連接，并實(shí)施變頻器側(cè)一點(diǎn)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(jìn)行控制。
(6) 在采用外部通信控制端子控制時(shí)，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(duì)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(shí)，能夠正常通信的波特率小于600bps。對(duì)于RS485通信，還必須考慮終端匹配電阻等。對(duì)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(diǎn)接地的方式，才能夠提高可靠性。
4 電網(wǎng)質(zhì)量問題
在高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源、電解電源等場合，電壓經(jīng)常出現(xiàn)閃變;在一個(gè)車間中，有幾百臺(tái)變頻器等容性整流負(fù)載在工作時(shí)，電網(wǎng)的諧波非常大，對(duì)于電網(wǎng)質(zhì)量有很嚴(yán)重的污染，對(duì)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(yùn)行，重則造成設(shè)備輸入回路的損壞。可以采取以下的措施：
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(jī)、電鍍電源、電解電源等場合建議用戶增加無功靜補(bǔ)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(diǎn)是，諧波小、節(jié)能，特別適用于頻繁起制動(dòng)、電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行同時(shí)進(jìn)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。
5 電機(jī)的漏電、軸電壓與軸承電流問題
變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的電機(jī)模型，Csf為定子與機(jī)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(jī)殼之間的等效電容，Rb為軸承對(duì)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(jī)內(nèi)分布電容的電壓耦合作用構(gòu)成系統(tǒng)共模回路，從而引起對(duì)地漏電流、軸電壓與軸承電流問題。
變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的電機(jī)模型
漏電流主要是PWM三相供電電壓極其瞬時(shí)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(hù)裝置動(dòng)作。另外，對(duì)于舊式電機(jī)，由于其絕緣材料差，又經(jīng)過長期運(yùn)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(jìn)行絕緣的測試。對(duì)于新的變頻電機(jī)的絕緣，要求要比標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)高出一個(gè)等級(jí)。
軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、EDM(Electric Discharge Machining)電流和環(huán)路電流。軸電壓的大小不僅與電機(jī)內(nèi)各部分耦合電容參數(shù)有關(guān)，且與脈沖電壓上升時(shí)間和幅值有關(guān)。dv/dt電流主要與PWM的上升時(shí)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(shí)，存儲(chǔ)在電子轉(zhuǎn)子對(duì)地電容Crf上的電荷(1/2 Crf×Urf)通過軸承等效回路Rb、Cb和Zb對(duì)地進(jìn)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(chǔ)在電子轉(zhuǎn)子對(duì)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(jī)地線及電機(jī)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(duì)變頻器和電機(jī)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(jī)接地線(PE電機(jī)1)連接在一個(gè)點(diǎn)，因此，必須盡可能加粗電機(jī)接地電纜線徑，減小兩者之間的電阻，同時(shí)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(duì)于潛水深井泵這樣的負(fù)載，接地阻抗ZE電機(jī)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。
6 結(jié)束語
本文從變頻器實(shí)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(jī)絕緣等方面，有針對(duì)性地提出了一些解決問題的方法及改進(jìn)的建議，對(duì)于變頻器在實(shí)際工程中的應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號(hào)
