一、變頻器的合理選用
變頻器的選用,應按照被控對象的類型、調速范圍、靜態速度精度、啟動轉矩等來考慮,使之在滿足工藝和生產要求的同時,既好用,又經濟。
1. 變頻器及被控制的電機
(1)電機的極數。一般電機極數以不多于4 極為宜,否則變頻器容量就要適當加大。
(2)轉矩特性、臨界轉矩、加速轉矩。在同等電機功率情況下,相對于高過載轉矩模式,變頻器規格可以降格選取。
(3)電磁兼容性。為減少主電源干擾,在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器,或安裝前置隔離變壓器。一般當電機與變頻器距離超過50m時,應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。
表1 列出不同類型變頻器的主要性能、應用場合.
2. 變頻器箱體結構的選用
變頻器的箱體結構要與條件相適應,必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。有下列幾種常見結構:
(1) 敞開型IP00型。本身無機箱,可裝在電控箱內或電氣室內的屏、盤、架上,尤其適于多臺變頻器集中使用時選用,但環境條件要求較高。
(2)封閉型IP20 型。適于一般用途,可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合。
(3)密封型IP45 型。適于工業現場條件較差的環境。
(4)密閉型IP65 型。適于環境條件差,有水、灰塵及一定腐蝕性氣體的場合。
3. 變頻器功率的選用
變頻器負載率β與效率η的關系曲線見圖1。由圖1 可見:當β= 50%時,η= 94%;當β= 100%時,η= 96%。雖然β增一倍,η變化僅2%,但對中大功率(幾百千瓦至幾千千瓦) 電動機而言亦是可觀的。系統效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積。從效率角度出發,在選用變頻器功率時,要注意以下幾點。
(1)變頻器功率與電動機功率相當時為最合適,以利于變頻器在高效率狀態下運轉。
(2)在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時,則變頻器的功率要盡可能接近電動機
的功率,并且應略大于電動機的功率。
(3)當電動機屬頻繁啟動、制動工作或處于重載啟動且較頻繁時,可選取大一級的變頻器,以利于變頻器長期、安全地運行。
(4)經測試,電動機實際功率確實有富余,可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器,但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。
(5) 當變頻器與電動機功率不相同時,則必須相應調整節能 程序的設置,以利于達到較高的節能效果。
4. 變頻器容量的確定
合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗,比較簡便的方法有三種。
(1) 電機實際功率確定法。首先測定電機的實際功率,以此來選用變頻器的容量。
(2) 公式法。設安全系數取1. 05 ,則變頻器的容量pb 為:
pb = 1. 05 pm/ hm ×cosφ,kW
式中 pm ———電機負載,kW
hm ———電機功率,kW
計算出pb 后,按變頻器產品目錄選具體規格。
當一臺變頻器用于多臺電機時,至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響,以避免變頻器過流跳閘。
③電機額定電流法。變頻器容量選定過程,實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程,最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率,但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少,通常都是設備所選能力偏大,而實際需要的能力小,因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的,避免選用的變頻器過大,使投資增大。對于輕負載類,變頻器電流一般應按1. 1 In ( In 為電動機額定電流) 來選擇,或按廠家在產品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇。
5. 主電源
(1) 電源電壓及波動。應特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應(出廠時一般設定為0. 8～0. 9Un ) ,因為在實際使用中,電網電壓偏低的可能性較大。
(2) 主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統的熱損耗,導致噪聲增加,輸出降低。
(3) 變頻器和電機在工作時,自身的功率消耗。在進行系統主電源供電設計時,兩者的功率消耗因素都應考慮進去
二、變頻器應用中的抗干擾措施
變頻器在應用中的干擾主要表現為:高次諧波、噪聲與振動、負載匹配、發熱等問題。這些干擾是不可避免的,因為變頻器的輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,它們都是由起開關作用的非線性元件組成的,而在開斷電路的過程中,都要產生高次諧波,從而使其輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形產生畸變。下面針對諧波問題進行分析并提出相應措施。
容量較小的變頻器,高次諧波的影響較小。但容量較大或數量較多時,就必須處理由高次諧波電流引起的高次諧波干擾,否則將影響到設備和檢測元件,嚴重時可能使這些設備誤動作。根據英國的ACE 報告,各種對象對高次諧波的敏感程度如下:電動機在10 %～20 %以下無影響;儀表電壓畸變10 % ,電流畸變10 % ,誤差在1 %以下;電子開關超過10 %會產生誤動作;計算機超過5 %會出錯。鑒于以上情況,在工業現場中,必須采取措施降低干擾,把干擾抑制在允許的范圍內。
1. 切斷干擾傳播途徑
(1) 干擾的傳播常通過共用的接地線傳播。將動力線的接地與控制線的接地分開是切斷這一途徑的根本方法,即將動力裝置的接地端子接到地線上,將控制裝置的接地端子接到該裝置盤的金屬外殼上。
(2) 信號線靠近有干擾源的導線時,干擾會被誘導到信號線上,使信號受到干擾,布線分離對消除這種干擾行之有效。實際工程中需把高壓電纜、動力電纜、控制電纜常常與儀表電纜、計算機電纜分開布線,分走不同的橋架。變頻器的控制線也最好與其主回路線路以垂直的方式布線。
2. 抑制高次諧波
(1) 在變頻器前側安裝線路電抗器,可抑制電源側過電壓,并降低變頻器產生的電流畸變,避免使主電源受到嚴重干擾。
該方案價格便宜,但限制諧波的效率有限,且電抗太大時會產生無法接受的電壓降損失。
(2) 在變頻器前加裝LC 無源濾波器,濾掉高次諧波,通常濾掉5 次和7 次諧波,但該方法完全取決于電源和負載,靈活性小。
(3) 設置專用濾波器用來檢測變頻器和相位,并產生一個與諧波電流的幅值相同且相位正好相反的電流,通到變頻器中,從而可以有效地吸收諧波電流。
(4) 當設備的附近環境受到電磁干擾時,應裝設抗射頻干擾濾波器,可減少主電源的傳導發射,且要采取措施屏蔽電機電纜。
(5) 當電機電纜長度大于50m或80m(非屏蔽) 時,為了防止電機啟動時的瞬時過電壓,減少電機對地的泄漏電流和噪聲,保護電動機,在變頻器與電機之間安裝電抗器。
(6) 增加變頻器供電電源內阻抗。通常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,內阻抗越大,諧波含量越小,這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此選擇變頻器供電電源時,最好選擇短路阻抗大的變壓器。
(7) 采用變壓器多相運行。通用變頻器為六脈波整流器,因此產生的諧波較大。如果采用變壓器多相運行,使相位角互差30°,如Y- Δ、Δ- Δ組合的變壓器構成12 脈波的效果,可減小低次諧波電流,很好的抑制諧波。
變頻器的選用,應按照被控對象的類型、調速范圍、靜態速度精度、啟動轉矩等來考慮,使之在滿足工藝和生產要求的同時,既好用,又經濟。
1. 變頻器及被控制的電機
(1)電機的極數。一般電機極數以不多于4 極為宜,否則變頻器容量就要適當加大。
(2)轉矩特性、臨界轉矩、加速轉矩。在同等電機功率情況下,相對于高過載轉矩模式,變頻器規格可以降格選取。
(3)電磁兼容性。為減少主電源干擾,在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器,或安裝前置隔離變壓器。一般當電機與變頻器距離超過50m時,應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。
表1 列出不同類型變頻器的主要性能、應用場合.
2. 變頻器箱體結構的選用
變頻器的箱體結構要與條件相適應,必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。有下列幾種常見結構:
(1) 敞開型IP00型。本身無機箱,可裝在電控箱內或電氣室內的屏、盤、架上,尤其適于多臺變頻器集中使用時選用,但環境條件要求較高。
(2)封閉型IP20 型。適于一般用途,可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合。
(3)密封型IP45 型。適于工業現場條件較差的環境。
(4)密閉型IP65 型。適于環境條件差,有水、灰塵及一定腐蝕性氣體的場合。
3. 變頻器功率的選用
變頻器負載率β與效率η的關系曲線見圖1。由圖1 可見:當β= 50%時,η= 94%;當β= 100%時,η= 96%。雖然β增一倍,η變化僅2%,但對中大功率(幾百千瓦至幾千千瓦) 電動機而言亦是可觀的。系統效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積。從效率角度出發,在選用變頻器功率時,要注意以下幾點。
(1)變頻器功率與電動機功率相當時為最合適,以利于變頻器在高效率狀態下運轉。
(2)在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時,則變頻器的功率要盡可能接近電動機
的功率,并且應略大于電動機的功率。
(3)當電動機屬頻繁啟動、制動工作或處于重載啟動且較頻繁時,可選取大一級的變頻器,以利于變頻器長期、安全地運行。
(4)經測試,電動機實際功率確實有富余,可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器,但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。
(5) 當變頻器與電動機功率不相同時,則必須相應調整節能 程序的設置,以利于達到較高的節能效果。
4. 變頻器容量的確定
合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗,比較簡便的方法有三種。
(1) 電機實際功率確定法。首先測定電機的實際功率,以此來選用變頻器的容量。
(2) 公式法。設安全系數取1. 05 ,則變頻器的容量pb 為:
pb = 1. 05 pm/ hm ×cosφ,kW
式中 pm ———電機負載,kW
hm ———電機功率,kW
計算出pb 后,按變頻器產品目錄選具體規格。
當一臺變頻器用于多臺電機時,至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響,以避免變頻器過流跳閘。
③電機額定電流法。變頻器容量選定過程,實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程,最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率,但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少,通常都是設備所選能力偏大,而實際需要的能力小,因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的,避免選用的變頻器過大,使投資增大。對于輕負載類,變頻器電流一般應按1. 1 In ( In 為電動機額定電流) 來選擇,或按廠家在產品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇。
5. 主電源
(1) 電源電壓及波動。應特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應(出廠時一般設定為0. 8～0. 9Un ) ,因為在實際使用中,電網電壓偏低的可能性較大。
(2) 主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統的熱損耗,導致噪聲增加,輸出降低。
(3) 變頻器和電機在工作時,自身的功率消耗。在進行系統主電源供電設計時,兩者的功率消耗因素都應考慮進去
二、變頻器應用中的抗干擾措施
變頻器在應用中的干擾主要表現為:高次諧波、噪聲與振動、負載匹配、發熱等問題。這些干擾是不可避免的,因為變頻器的輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,它們都是由起開關作用的非線性元件組成的,而在開斷電路的過程中,都要產生高次諧波,從而使其輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形產生畸變。下面針對諧波問題進行分析并提出相應措施。
容量較小的變頻器,高次諧波的影響較小。但容量較大或數量較多時,就必須處理由高次諧波電流引起的高次諧波干擾,否則將影響到設備和檢測元件,嚴重時可能使這些設備誤動作。根據英國的ACE 報告,各種對象對高次諧波的敏感程度如下:電動機在10 %～20 %以下無影響;儀表電壓畸變10 % ,電流畸變10 % ,誤差在1 %以下;電子開關超過10 %會產生誤動作;計算機超過5 %會出錯。鑒于以上情況,在工業現場中,必須采取措施降低干擾,把干擾抑制在允許的范圍內。
1. 切斷干擾傳播途徑
(1) 干擾的傳播常通過共用的接地線傳播。將動力線的接地與控制線的接地分開是切斷這一途徑的根本方法,即將動力裝置的接地端子接到地線上,將控制裝置的接地端子接到該裝置盤的金屬外殼上。
(2) 信號線靠近有干擾源的導線時,干擾會被誘導到信號線上,使信號受到干擾,布線分離對消除這種干擾行之有效。實際工程中需把高壓電纜、動力電纜、控制電纜常常與儀表電纜、計算機電纜分開布線,分走不同的橋架。變頻器的控制線也最好與其主回路線路以垂直的方式布線。
2. 抑制高次諧波
(1) 在變頻器前側安裝線路電抗器,可抑制電源側過電壓,并降低變頻器產生的電流畸變,避免使主電源受到嚴重干擾。
該方案價格便宜,但限制諧波的效率有限,且電抗太大時會產生無法接受的電壓降損失。
(2) 在變頻器前加裝LC 無源濾波器,濾掉高次諧波,通常濾掉5 次和7 次諧波,但該方法完全取決于電源和負載,靈活性小。
(3) 設置專用濾波器用來檢測變頻器和相位,并產生一個與諧波電流的幅值相同且相位正好相反的電流,通到變頻器中,從而可以有效地吸收諧波電流。
(4) 當設備的附近環境受到電磁干擾時,應裝設抗射頻干擾濾波器,可減少主電源的傳導發射,且要采取措施屏蔽電機電纜。
(5) 當電機電纜長度大于50m或80m(非屏蔽) 時,為了防止電機啟動時的瞬時過電壓,減少電機對地的泄漏電流和噪聲,保護電動機,在變頻器與電機之間安裝電抗器。
(6) 增加變頻器供電電源內阻抗。通常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,內阻抗越大,諧波含量越小,這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此選擇變頻器供電電源時,最好選擇短路阻抗大的變壓器。
(7) 采用變壓器多相運行。通用變頻器為六脈波整流器,因此產生的諧波較大。如果采用變壓器多相運行,使相位角互差30°,如Y- Δ、Δ- Δ組合的變壓器構成12 脈波的效果,可減小低次諧波電流,很好的抑制諧波。
