1 前 言

　　自80年代通用變頻器進(jìn)入中國市場(chǎng)以來(lái)，在短短的十幾年時(shí)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(wǎng)絡(luò )化等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞。隨著(zhù)通用變頻器應用范圍的擴大，暴露出來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越多，主要有以下幾方面:

　?、?諧波問(wèn)題

　?、?變頻器負載匹配問(wèn)題

　?、?發(fā)熱問(wèn)題

　　以上這些問(wèn)題已經(jīng)引起了有關(guān)管理部門(mén)和廠(chǎng)礦的注意并制定了相關(guān)的技術(shù)標準。如諧波問(wèn)題，我國于1984年和1993年通過(guò)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(wèn)題，本文進(jìn)行了分析并提出了解決方案及對策。

　　2 諧波問(wèn)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。通用變頻器的輸出電壓中確實(shí)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(dòng)，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(shí)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:

　?、?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(wú)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容量越小時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。

　?、?安裝電抗器

　　安裝電抗器實(shí)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(shí)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。

　?、?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(chǎn)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(gè)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。

　?、?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(shí)，13次以下的奇數諧波不再出現。

　?、?專(zhuān)用濾波器

　　該專(zhuān)用濾波器用于檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生一個(gè)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(wèn)題及其對策

　　生產(chǎn)機械的種類(lèi)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(lèi)型:恒轉矩負載、風(fēng)機泵類(lèi)負載和恒功率負載。針對不同的負載類(lèi)型，應選擇不同類(lèi)型的變頻器。

　?、?恒轉矩負載
 
　　恒轉矩負載是指負載轉矩與轉速無(wú)關(guān)，任何轉速下，轉矩均保持恒定。恒轉矩負載又分為摩擦類(lèi)負載和位能式負載。

　　摩擦類(lèi)負載的起動(dòng)轉矩一般要求額定轉矩的150%左右，制動(dòng)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(dòng)和制動(dòng)轉矩都比較大，過(guò)載時(shí)間長(cháng)和過(guò)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(dòng)轉矩和能量回饋功能，能夠快速實(shí)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。
 
　?、?風(fēng)機泵類(lèi)負載

　　風(fēng)機泵類(lèi)負載是目前工業(yè)現場(chǎng)應用最多的設備，雖然泵和風(fēng)機的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風(fēng)機應用為主，通用變頻器在這類(lèi)負載上的應用最多。風(fēng)機泵類(lèi)負載是一種平方轉矩負載，這類(lèi)負載對變頻器的性能要求不高，只要求經(jīng)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(fēng)機負載在實(shí)際運行過(guò)程中，由于轉動(dòng)慣量比較大，所以變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，風(fēng)機負載的系統轉動(dòng)慣量計算是非常重要的。變頻器具體設計時(shí)，按計算結果，進(jìn)行適當修正，在變頻器起動(dòng)時(shí)不發(fā)生過(guò)流跳閘和變頻器減速時(shí)不發(fā)生過(guò)電壓跳閘的情況下，選擇最短時(shí)間。

　　泵類(lèi)負載在實(shí)際運行過(guò)程中，容易發(fā)生喘振、憋壓和水垂效應，所以變頻器選型時(shí)，要選擇適于泵類(lèi)負載的變頻器且變頻器在功能設定時(shí)要針對上述問(wèn)題進(jìn)行單獨設定:

　　喘振:測量易發(fā)生喘振的頻率點(diǎn)，通過(guò)設定跳躍頻率點(diǎn)和寬度，避免系統發(fā)生共振現象。

　　憋壓:泵類(lèi)負載在低速運行時(shí)，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(shí)，通過(guò)限定變頻器的最低頻率，而限定了泵流量的臨界點(diǎn)處的系統最低轉速，這就避免了此類(lèi)現象的發(fā)生。

　　水垂效應:泵類(lèi)負載在突然斷電時(shí)，由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴或沒(méi)有逆止閥，將導致電機反轉，因電機發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障報警燒壞。在變頻器系統設計時(shí)，應使變頻器按減速曲線(xiàn)停止，在電機完全停止后再斷開(kāi)主電路電，或者設定“斷電減速停止”功能，這樣就避免了該現象的發(fā)生。

    ③ 恒功率負載

　　恒功率負載是指轉矩大體與轉速成反比的負載，如卷取機、開(kāi)卷機等。利用變頻器驅動(dòng)恒功率負載時(shí)，應該是就一定的速度變化范圍而言的，通?？紤]在某個(gè)轉速點(diǎn)以下采用恒轉矩調速方式，而在高于該轉速點(diǎn)時(shí)才采用恒功率調速方式。我們通常將該轉速點(diǎn)稱(chēng)為基頻，該點(diǎn)對應的電壓為變頻器輸出額定電壓。從理論上講，要想實(shí)現真正意義上的恒功率控制，變頻器的輸出頻率f和輸出電壓U必須遵循U2/f=const協(xié)調控制，但這在實(shí)際變頻器運行過(guò)程中是不允許的，因為在基頻以上，變頻器的輸出電壓不能隨著(zhù)其輸出頻率增加，只能保持額定電壓，所以只能是一種近似意義上的恒功率控制。

    4 發(fā)熱問(wèn)題及其對策

　　變頻器的發(fā)熱是由內部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正?？煽窟\行，必須對變頻器進(jìn)行散熱，通常采用以下方法:

    ① 采用風(fēng)扇散熱:變頻器的內裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行。

    ② 降低安裝環(huán)境溫度:由于變頻器是電子裝置，內含電子元、電解電容等，所以溫度對其壽命影響比較大。通用變頻器的環(huán)境運行溫度一般要求-10℃~-50℃，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長(cháng)，性能也比較穩定。
我們采取兩種方法:一種方法是建造單獨的變頻器低壓間，內部安裝空調，保持低壓間溫度在+15℃~+20℃之間。另一種方法是變頻器的安裝空間要滿(mǎn)足變頻器使用說(shuō)明書(shū)的要求。
 
    以上所談到的變頻器發(fā)熱是指變頻器在額定范圍之內正常運行的損耗。當變頻器發(fā)生非正常運行（如過(guò)流，過(guò)壓，過(guò)載等）產(chǎn)生的損耗必須通過(guò)正常的選型來(lái)避免此類(lèi)現象的發(fā)生。
 
    對于風(fēng)機泵類(lèi)負載，當我們選擇三菱變頻器FR-F540時(shí)，其過(guò)載能為120%/60秒，其過(guò)載周期為300秒，也就是說(shuō)，當變頻器相對于其額定負載的120%過(guò)載時(shí)，其持續時(shí)間為60秒，并且在300秒之內不允許出現第二次過(guò)載。當變頻器出現過(guò)載時(shí)，功率單元因其流過(guò)的過(guò)載電流而升溫，導致變頻器過(guò)熱，這時(shí)必須盡快使其降溫以使變頻器的過(guò)熱保護動(dòng)作消除，這個(gè)冷卻過(guò)程就是變頻器的過(guò)載周期。不同的變頻器，其過(guò)載倍數、過(guò)載時(shí)間和過(guò)載周期均不相同，并且其過(guò)載倍數越大，過(guò)載時(shí)間越短。

    對于變頻器所驅動(dòng)的電機，按其工作情況可分為兩類(lèi):長(cháng)期工作制和重復短時(shí)工作制。長(cháng)期工作制的電機可以按其名牌規定的數據長(cháng)期運行。針對該類(lèi)負載，變頻器可根據電機銘牌數據進(jìn)行選型，如連續運行的油泵，若其電機功率為22kW時(shí)，可選擇FR-F540-22k變頻器即可。重復短時(shí)工作制電機，其特點(diǎn)是重復性和短時(shí)性，即電機的工作時(shí)間和停歇時(shí)間交替進(jìn)行，而且都比較短，二者之和，按國家規定不得超過(guò)60秒。重復短時(shí)工作制電機允許其過(guò)載且有一定的溫升。此時(shí)，若根據電機銘牌數據來(lái)選擇變頻器，勢必造成變頻器的損壞。針對該類(lèi)負載，變頻器在參考電機銘牌數據的情況下要根據電機負載圖和變頻器的過(guò)載倍數、過(guò)載時(shí)間、過(guò)載周期來(lái)選型。如重復短時(shí)運行的升降機，其電機功率為18.5kW，可選擇FR-A540-22k變頻器。

    5 結論

　　本文通過(guò)對通用變頻器運行過(guò)程中存在問(wèn)題的分析，提出了解決這些問(wèn)題的實(shí)際對策，隨著(zhù)新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應用，變頻器存在的這些問(wèn)題有望通過(guò)變頻器本身的功能和補償來(lái)解決。隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)和社會(huì )環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，滿(mǎn)足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器也會(huì )不久面世。