變頻器可靠運行的四大要素

變頻器可靠運行的四大要素

對于變頻器這種當下最為流行的電氣控制裝置，做為一種精密電子工控裝置，要想使變頻器長時間平穩(wěn)地正常運行，身為專業(yè)技術(shù)人員的我們，則還需要在變頻器安裝或運行前，從四個直接影響變頻器運行的環(huán)境要素上著手，切實搞好準備工作。

一、物理環(huán)境

①溫度因素

溫度對變頻器內(nèi)部電子元器件的壽命以及可靠性的影響巨大。在運行溫度較高的環(huán)境下使用變頻器時，必須采取額外的冷卻降溫措施，用以保證環(huán)境溫度穩(wěn)定在變頻器使用手冊要求的范圍之內(nèi)（－10～+40/45℃）。在電控箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并且嚴禁把發(fā)熱元件緊靠變頻器底部安裝！此外，在使用過程中還應(yīng)定期對變頻器自帶冷卻風扇進行檢查和保潔工作。

②濕度因素

對于此種因素的危害，相信廣大同行都能明白——在環(huán)境濕度大于90%時，變頻器內(nèi)部的器件絕緣性會變差，從而導致變頻器發(fā)生故障。因此必要時在變頻器內(nèi)放入干燥劑則成為必須的除潮手段。

③腐蝕性氣體

由于腐蝕性氣體對變頻器內(nèi)部PCB板、塑料制品外殼等的電氣絕緣性能有極大的破壞作用，故在此種環(huán)境下使用變頻器應(yīng)按要求采用符合安全規(guī)程要求的密封外殼。

④振動和沖擊

這兩種會引起變頻器發(fā)生電氣接觸不良、元器件開焊的物理現(xiàn)象，對變頻器的正常使用同樣影響較大，為此加強日常保養(yǎng)和檢修工作不容大意。

二、電氣環(huán)境

①防止電磁干擾

變頻器在工作中因為存在整流和逆變環(huán)節(jié)，此工作過程必然產(chǎn)生很多電磁波干擾，這些高頻電磁波對附近的儀器儀表均有一定的干擾。為此和變頻器同網(wǎng)絡(luò)的儀器儀表應(yīng)先做好接地工作，各種電氣元件、儀器儀表之間的連線應(yīng)選用帶有屏蔽層的電纜線，且必須將屏蔽層做接地處理。

②防止輸入端過電壓

雖然大多數(shù)變頻器電源輸入端具有過電壓保護功能，可如果變頻器輸入端高電壓作用時間較長，則往往會使變頻器內(nèi)部相關(guān)元器件（如壓敏電阻、整流器件等）發(fā)生損壞。對于電源電壓波動頻繁且幅度較大的電源，要考慮使用穩(wěn)壓設(shè)備。

三、接地

變頻器正確接地是提高系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲干擾的重要手段。變頻器接地端子G（也有標注為E）接地電阻越小越好，接地導線截面積不應(yīng)低于2mm2，且長度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。此外需要指出的是，變頻器信號輸入線的屏蔽層應(yīng)接至G（或E）接線端子上，其另一端絕不能接于地端，否則會引起信號變化波動，造成系統(tǒng)發(fā)生振蕩。

四、防雷

在變頻器中一般都設(shè)有雷電吸收、泄放回路，用以防止瞬間的雷電侵入造成變頻器損壞。無奈在實際運行過程中，尤其是變頻器電源線為架空引入的情況下，單純依賴變頻器內(nèi)部防雷回路是遠遠不夠的。為此在雷電活躍區(qū)，并且變頻器電源為架空線引入方式的話，應(yīng)在進線處裝配變頻器專用的避雷器（廠家選配件），或許按規(guī)范要求在變頻器20m的遠處預(yù)埋鍍鋅鋼管座專用接地防雷保護。

變頻器內(nèi)部四大不為人知的秘密

變頻器作為當下電動機控制方面最為主流的電控設(shè)備，其擁有調(diào)速調(diào)壓精確、操控方式靈活多樣等諸多優(yōu)點。雖說變頻器的使用方法已被廣大電工同行所熟悉和掌握，但其內(nèi)部線路當中的秘密，大家可能就未必了解了。

誤區(qū)1、使用變頻器都能節(jié)電

變頻調(diào)速器能否實現(xiàn)節(jié)電，是由其負載的調(diào)速特性決定的。對于離心風機、離心水泵這類負載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。只要原來采用閥門控制流量，且不是滿負荷工作，改為調(diào)速運行，均能實現(xiàn)節(jié)電。當轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時，功率只有原來的51.2%?？梢?，變頻調(diào)速器在這類負載中的應(yīng)用，節(jié)電效果最為明顯。對于羅茨風機這類負載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)，即恒轉(zhuǎn)矩負載。若原來采用放風閥放走多余風量的方法調(diào)節(jié)風量，改為調(diào)速運行，也能實現(xiàn)節(jié)電。當轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時，功率為原來的80%。比在離心風機、離心水泵中的應(yīng)用節(jié)電效果要小得多。對于恒功率負載，功率與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。水泥廠恒功率負載，如配料皮帶秤，在設(shè)定流量一定的條件下，當料層厚時，皮帶速度減慢；當料層薄時，皮帶速度加快。變頻調(diào)速器在這類負載中的應(yīng)用，不能節(jié)電。

與直流調(diào)速系統(tǒng)比較，直流電動機比交流電動機效率高、功率因數(shù)高，數(shù)字直流調(diào)速器與變頻調(diào)速器效率不相上下，甚至數(shù)字直流調(diào)速器比變頻調(diào)速器效率略高。所以，宣稱使用交流異步電動機和變頻調(diào)速器比使用直流電動機和直流調(diào)速器要節(jié)電，理論和實踐證明，這是不正確的。

誤區(qū)2、變頻器的容量選擇以電動機額定功率為依據(jù)

相對于電動機來說，變頻調(diào)速器的價格較貴，因此在保證安全可靠運行的前提下，合理地降低變頻調(diào)速器的容量就顯得十分有意義。變頻調(diào)速器的功率指的是它適用的4極交流異步電動機的功率。

由于同容量電動機，其極數(shù)不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數(shù)的增多，電動機額定電流增大。變頻調(diào)速器的容量選擇不能以電動機額定功率為依據(jù)。同時，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻調(diào)速器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據(jù)。這是因為，電動機的容量選擇要考慮最大負荷、富裕系數(shù)、電動機規(guī)格等因素，往往富裕量較大，工業(yè)用電動機常常在50%～60%額定負荷下運行。若以電動機額定電流為依據(jù)來選擇變頻調(diào)速器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟上的浪費，而可靠性并沒有因此得到提高。

對于鼠籠式電動機，變頻調(diào)速器的容量選擇應(yīng)以變頻器的額定電流大于或等于電動機的最大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以最大限度地節(jié)約資金。對于重載起動、高溫環(huán)境、繞線式電動機、同步電動機等條件下，變頻調(diào)速器的容量應(yīng)適當加大。對于一開始就采用變頻器的設(shè)計中，變頻器容量的選擇以電動機額定電流為依據(jù)無可厚非。這是因為此時變頻器容量不能以實際運行情況來選擇。當然，為了減少投資，在有些場合，也可先不確定變頻器的容量，等設(shè)備實際運轉(zhuǎn)一段時間后，再根據(jù)實際電流進行選擇。

誤區(qū)3、用視在功率計算無功補償節(jié)能收益

用視在功率計算無功補償節(jié)能效果。如某文獻：原系統(tǒng)風機工頻滿載工作時，電動機運行電流為289A，采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載運行時的功率因數(shù)約為0.99，電流是257A，這是由于變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生改善功率因數(shù)的作用，其節(jié)能計算如下：

ΔS=UI=×380×（289－257）=21kVA

因此該文認為其節(jié)能效果約為單機容量的11%左右。

實際分析：S即表示視在功率，即電壓與電流的乘積，電壓相同時，視在功率節(jié)約百分比與電流節(jié)約百分比是一回事。在有電抗的電路中，視在功率只是反映了配電系統(tǒng)的允許最大輸出能力，而不能反映電動機實際消耗的功率。電動機實際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中，雖用實際電流計算，但計算的是視在功率，而不是有功功率。我們知道，電動機實際消耗的功率是由風機及其負載決定的。功率因數(shù)的提高并沒有改變風機的負載，也沒有提高風機的效率，風機實際消耗的功率沒有減少。功率因數(shù)提高后，電動機運行狀態(tài)也沒有改變，電動機定子電流并沒有減少，電動機消耗的有功功率和無功功率都沒有改變。功率因數(shù)提高的原因是變頻器內(nèi)部濾波電容產(chǎn)生無功功率供給了電動機消耗。隨著功率因數(shù)提高，變頻器的實際輸入電流減少，從而減少了電網(wǎng)至變頻器之間的線損和變壓器的銅耗。同時，負荷電流減小，給變頻器供電的變壓器、開關(guān)、接觸器、導線等配電設(shè)備可以帶更多的負載。需要指出的是，如果象該例一樣不考慮線損和變壓器銅耗的節(jié)約，而考慮變頻器的損耗，變頻器在50Hz滿載運行時，不僅沒有節(jié)能，而且還費電。因此，用視在功率計算節(jié)能效果是不對的。

誤區(qū)4、變頻器輸出側(cè)不能加裝接觸器

幾乎所有變頻調(diào)速器使用說明書都指出，變頻調(diào)速器輸出側(cè)不能加裝接觸器。變頻器在運行中連接負載，會由于漏電流而使過電流保護回路動作。那么，只要在變頻調(diào)速器輸出與接觸器動作之間，加以必要的控制聯(lián)鎖，保證只有在變頻調(diào)速器無輸出時，接觸器才能動作，變頻調(diào)速器輸出側(cè)就可以加裝接觸器。這種方案對于只有1臺變頻調(diào)速器，2臺電動機（1臺電動機運行，1臺電動機備用）的場合，具有重要的意義。當運行的電動機出現(xiàn)故障時，可以很方便地將變頻器切換到備用電動機，經(jīng)過延時使變頻器運行，實現(xiàn)備用電動機自動投入變頻運行。并且還可以很方便地實現(xiàn)2臺電動機的互為備用。

誤區(qū)5、變頻調(diào)速器在離心風機中的應(yīng)用，可完全取代風機的調(diào)節(jié)閥門

采用變頻調(diào)速器對離心風機進行調(diào)速來控制風量，與調(diào)節(jié)閥門控制風量相比，具有明顯的節(jié)電效果。但在有些場合，變頻調(diào)速器不能完全取代風機的閥門，在設(shè)計中要引起特別注意。為了說明這個問題，我們先從其節(jié)電原理談起。離心風機的風量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

誤區(qū)6、通用電動機只能在其額定轉(zhuǎn)速以下采用變頻調(diào)速器降速運行

經(jīng)典理論認為，通用電動機頻率上限為55Hz。這是因為當電動機轉(zhuǎn)速需要調(diào)到額定轉(zhuǎn)速以上運行時，定子頻率將增加到高于額定頻率（50Hz）。這時，若仍按恒轉(zhuǎn)矩原則控制，則定子電壓將升高超過額定電壓。那么，當調(diào)速范圍高于額定轉(zhuǎn)速時，須保持定子電壓為額定電壓不變。這時，隨著轉(zhuǎn)速/頻率的上升，磁通將減少，因此在同一定子電流下的轉(zhuǎn)矩將減小，機械特性變軟，電動機的過載能力大幅度減少。

由此可見，通用電動機頻率上限為55Hz是有前提條件的：

1、定子電壓不能超過額定電壓；

2、電動機在額定功率運行；

3、恒轉(zhuǎn)矩負載。

上述情況下，理論和試驗證明，若頻率超過55Hz，將使電動機轉(zhuǎn)矩變小，機械特性變軟，過載能力下降，鐵耗急增，發(fā)熱嚴重。

筆者認為，電動機實際運行狀況表明，通用電動機可以通過變頻調(diào)速器進行提速運行。能否變頻提速？能提多少？主要是由電動機拖動的負載來決定的。首先，要弄清負荷率是多少？其次，要搞清楚負載特性，根據(jù)負載的具體情況，進行推算。簡單分析如下：

1、事實上，對于380V通用電動機，定子電壓超過額定電壓10%長期運行是可以的，對電動機絕緣及壽命沒有影響。定子電壓提高，轉(zhuǎn)矩顯著增大，定子電流減少，繞組溫度下降。

2、電動機負荷率通常為50%～60%

一般情況下，工業(yè)用電動機通常在50%～60%額定功率下工作。經(jīng)推算，電動機輸出功率為70%額定功率，定子電壓提高7%時，定子電流下降26.4%，此時，即使是恒轉(zhuǎn)矩控制，采用變頻調(diào)速器提高電動機轉(zhuǎn)速20%，定子電流也不但不會上升，反而會下降。盡管提高頻率后，電動機鐵耗急增，但由其產(chǎn)生的熱量與定子電流下降而減少的熱量相比甚微。因此，電動機繞組溫度也將明顯下降。

3、負載特性各種各樣

電動機拖動系統(tǒng)是為負載服務(wù)的，不同的負載，機械特性不同。電動機在提速后必須滿足負載機械特性的要求。經(jīng)推算恒轉(zhuǎn)矩負載不同負荷率（k）時的允許最高運行頻率（fmax）與負荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe為額定工頻。對恒功率負載，通用電動機的允許最高工作頻率主要受電動機轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的機械強度限制，筆者認為一般限制在100Hz以內(nèi)為宜。