變頻器選型攻略

變頻器（Variable frequency Drive， VFD） 是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。

變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

衡量一個(gè)通用變頻器性能好壞的主要指標(biāo)有：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、控制方式、轉(zhuǎn)矩控制精度、速度控制精度、速度控制方式、控制信號(hào)種類、頻率跳躍功能、載波頻率、多段速度設(shè)定、通信接口等。變頻器選型的是否正確對(duì)于機(jī)械設(shè)備的電控系統(tǒng)正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

建議大家變頻器選型的時(shí)候首先要弄清楚機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度和使用環(huán)境的要求等現(xiàn)場所需條件，然后才決定選擇使用何種控制方式和防護(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器是最合適的。所謂合適，是在滿足機(jī)械設(shè)備中實(shí)際工藝生產(chǎn)的要求和使用場合前提下所說的一個(gè)說法，實(shí)現(xiàn)變頻器的應(yīng)用最佳性價(jià)比。

變頻器選型攻略 1、 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力

1.1 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力

當(dāng)母線上電動(dòng)機(jī)成組自起動(dòng)、當(dāng)母線上最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)組起動(dòng)時(shí)對(duì)變頻器運(yùn)行的影響，這與變頻器允許的輸入電壓波動(dòng)范圍參數(shù)有關(guān)，對(duì)于火電機(jī)組應(yīng)保證母線電壓跌落30%時(shí)變頻器不會(huì)停機(jī)。

另外，在母線切換等情況下所造成的母線電壓瞬時(shí)失電發(fā)生后，變頻器應(yīng)具有持續(xù)或恢復(fù)運(yùn)行的功能（有些廠家稱為“失壓再起動(dòng)功能”），即在母線電壓瞬間降低或消失（如事故切換）時(shí)變頻器不跳閘或使電機(jī)系統(tǒng)慣性運(yùn)行;當(dāng)母線電壓重新恢復(fù)正常后，變頻器能根據(jù)捕捉到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正確調(diào)整自身輸出，重新拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的功能。

1.2 對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)能力

高壓變頻器大多安裝于現(xiàn)場輔機(jī)附近，灰塵較多，灰塵進(jìn)入變頻柜內(nèi)會(huì)導(dǎo)致絕緣下降或擊穿損壞電子元器件;灰塵堵塞濾網(wǎng)造成功率柜散熱效果差，易導(dǎo)致功率模塊過熱失效損壞。有些廠家把空氣濾網(wǎng)設(shè)計(jì)為在運(yùn)行中可拆換清洗，便于維護(hù)。在南方高溫、潮濕氣候地區(qū)，應(yīng)選擇對(duì)環(huán)境溫濕度要求低、系統(tǒng)溫升相對(duì)低的產(chǎn)品，以保證安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 、對(duì)自身小故障的承受能力

高壓變頻器具有單元旁路功能，即某個(gè)功率單元出故障時(shí)該單元應(yīng)能夠自動(dòng)退出，整個(gè)系統(tǒng)可持續(xù)帶故障運(yùn)行，這實(shí)際是一種冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。此時(shí)應(yīng)注意單元旁路后對(duì)變頻器帶載能力的影響，主要考慮變頻裝置每相功率單元個(gè)數(shù)、控制系統(tǒng)的電壓補(bǔ)償。

單元串聯(lián)越多，故障概率越大，單個(gè)單元故障對(duì)輸出能力的影響越小，二者應(yīng)折中取舍。若采用電壓補(bǔ)償算法、中性點(diǎn)偏移算法可提高系統(tǒng)單元旁路后的帶載能力，但此種方法可能帶來共模電壓等問題，需視電動(dòng)機(jī)絕緣安全等設(shè)備具體情況取舍。

高壓變頻器的控制系統(tǒng)電源至關(guān)重要，應(yīng)設(shè)計(jì)采用多路控制電源供電，多通道互為備用、無擾切換;風(fēng)扇冷卻器的冗余設(shè)計(jì)也有助于提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

3、 對(duì)外部故障的承受能力

對(duì)輸入側(cè)的外部故障，如外部電網(wǎng)故障造成母線電壓跌落時(shí)對(duì)高壓變頻器運(yùn)行的影響。廣東省某電廠機(jī)組曾發(fā)生過這樣的事故：由于外部電網(wǎng)瞬時(shí)故障造成廠用電母線電壓閃變跌落，導(dǎo)致輔機(jī)變頻器停機(jī)，雖然外部電網(wǎng)的故障很快切除，但由于變頻器拖動(dòng)的重要輔機(jī)停運(yùn)導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷。因此瞬時(shí)停電再起動(dòng)功能應(yīng)是電廠機(jī)組輔機(jī)高壓變頻器提高外部故障承受能力的可靠保證。

對(duì)輸出側(cè)的外部故障，如電纜擊穿短路或電動(dòng)機(jī)的單相接地甚至相間短路故障對(duì)高壓變頻器的影響。高壓變頻器應(yīng)配置單相接地故障檢測功能，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇設(shè)定告警或跳閘保護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)廣東省高壓電動(dòng)機(jī)由于絕緣損壞導(dǎo)致的相間短路故障每年平均約20臺(tái)，雖然相對(duì)概率較小，但對(duì)于采用過流能力極其有限的電力電子器件的高壓變頻器，短路電流的沖擊對(duì)設(shè)備的損害是巨大的，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞的嚴(yán)重故障。高壓變頻器對(duì)輸出相間短路的承受能力與保護(hù)技術(shù)是設(shè)備選型、保證設(shè)備安全應(yīng)考慮的一項(xiàng)重要因素。

4 、設(shè)備的故障恢復(fù)時(shí)間

設(shè)備故障分為兩種類型：一是瞬間可自行恢復(fù)的故障，這種故障一旦出現(xiàn)之后，能在較短的時(shí)間內(nèi)自行恢復(fù)，而具有轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤功能的變頻裝置能顯著提高在此種故障情況下的運(yùn)行能力和可靠性。廣東省正在運(yùn)行的部分高壓變頻器在雷雨季節(jié)發(fā)生雷擊時(shí)頻繁停機(jī)，就是因?yàn)椴痪邆浯朔N功能所致;

其二是發(fā)生永久性損壞故障后裝置的恢復(fù)時(shí)間，功率單元模塊化可以在短時(shí)間內(nèi)更換備用模塊，使設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行。

5 、變頻改造對(duì)電機(jī)保護(hù)的影響

高壓變頻器一般均配置工頻旁路柜，以保證在變頻器出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，通過工頻旁路柜的切換電機(jī)恢復(fù)工頻運(yùn)行，保證生產(chǎn)持續(xù)不斷。但這種切換也帶來了相應(yīng)保護(hù)配置的問題：電動(dòng)機(jī)在變頻運(yùn)行狀態(tài)下開關(guān)柜應(yīng)裝設(shè)變壓器保護(hù)（因變頻器內(nèi)部與廠用電連接部分為輸入移相整流變壓器），而在工頻運(yùn)行時(shí)應(yīng)裝設(shè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)。

因此在改造時(shí)，原有電動(dòng)機(jī)保護(hù)應(yīng)保留，作為工頻運(yùn)行時(shí)的保護(hù)裝置，如果變頻器控制系統(tǒng)不具備輸入變壓器的保護(hù)功能，從系統(tǒng)安全和合理配置保護(hù)的角度考慮，需加裝“隔離移相變壓器”保護(hù);在電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，退出電動(dòng)機(jī)保護(hù)而投變壓器保護(hù)。

6 、手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路

手動(dòng)切換變頻器的運(yùn)行方式（工頻——變頻），存在操作復(fù)雜、中斷時(shí)間久對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性影響較大的問題。而具有工頻變頻自動(dòng)切換的變頻器在發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行，保證了重要輔機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，降低了對(duì)機(jī)組乃至對(duì)電網(wǎng)的影響。

但是在電動(dòng)機(jī)故障時(shí)變頻器自動(dòng)切換至工頻，會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)的故障，并有使故障擴(kuò)大化的危險(xiǎn)。在具體的應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮“自動(dòng)旁路切換功能”的利弊，最好變頻器控制系統(tǒng)具有判別自身故障和負(fù)載故障的能力。

另外自動(dòng)工頻變頻切換時(shí)還應(yīng)注意開關(guān)柜保護(hù)裝置的自動(dòng)切換、風(fēng)門或閥門的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)。在變頻檢修完畢后，如何使電機(jī)從工頻運(yùn)行狀態(tài)瞬間切換至變頻運(yùn)行狀態(tài)，也是在改造時(shí)必須注意的問題。

7、 諧波對(duì)電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)的影響

低壓變頻器的輸入電流具有很大的高次諧波成份，這些諧波對(duì)電網(wǎng)造成“諧波污染”的同時(shí)，還降低了變頻器輸入電路的功率因數(shù)。而高壓變頻器通常采用多重化整流技術(shù)，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)。有資料表明，采用30脈波的移相變壓器的高壓變頻器，輸入總諧波含量基本小于國標(biāo)要求的4%，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)也可達(dá)0.95以上。

輸出電壓、電流諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要體現(xiàn)在增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和電機(jī)的發(fā)熱，從而影響電機(jī)繞組的絕緣;共模電壓和軸承電流會(huì)加劇軸承電蝕降低機(jī)械壽命。一般多單元串聯(lián)型式高壓變頻器的每相串聯(lián)的功率單元個(gè)數(shù)達(dá)到5個(gè)及以上時(shí)，輸出電壓的突變率（du/dt）可滿足電機(jī)絕緣要求，減少對(duì)繞組絕緣與共模電壓軸電流的損害，諧波含量低，可以不考慮其對(duì)電機(jī)的影響。

電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，自冷電動(dòng)機(jī)的散熱能力將會(huì)下降，對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，采用單元串聯(lián)式的高壓變頻器諧波發(fā)熱影響小，電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載電流較低，發(fā)熱量少，因此不必考慮附加散熱措施問題;但對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與高速運(yùn)行時(shí)接近，就要考慮低速運(yùn)行時(shí)加裝強(qiáng)迫風(fēng)冷等散熱措施。同時(shí)，還應(yīng)注意低速運(yùn)行時(shí)軸承的潤滑問題。

8 變頻器的壽命

高壓變頻器設(shè)備的壽命主要決定于電解電容，電解電容的壽命與其運(yùn)行溫度和紋波電流直接相關(guān)。保證運(yùn)行環(huán)境溫度、提高功率模塊的散熱效果、降低功率模塊溫升對(duì)提高系統(tǒng)壽命起到關(guān)鍵的作用;另外電容器紋波電流減小其壽命增加，因此系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)載工況對(duì)于變頻器的壽命緊密相關(guān)。

對(duì)于一般的可變負(fù)載，在運(yùn)行環(huán)境滿足設(shè)計(jì)條件下，電解電容器的壽命在8年以上，更換電容器的費(fèi)用約占系統(tǒng)投資的5%～10%。國內(nèi)已有廠家推出無極性電容器替代電解電容器，據(jù)稱壽命可達(dá)20年，但相同體積的無極性電容器的容量要比電解電容小得多，對(duì)系統(tǒng)輸入、輸出諧波、功率因數(shù)等指標(biāo)有影響，目前采用無極性電容器濾波的高壓變頻器用量很少，其工藝成熟度以及產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性影響尚待觀察，值得關(guān)注