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    變頻器的應用

    我國的電動機用電量占全國發電量的60%~70%，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風機、水泵類大多為平房轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用變頻調速器來調節流量，應用變頻器節電率為20%~50%，效益顯著。

    許多機械由于工藝需要，要求電動機能夠調速。過去由于交流電動機調速困難，調速性能要求高的場合都采用直流調速，而直流電冬季結構復雜，體積大，維修困難，因此隨著變頻調速技術的成熟，交流調速正逐步取代直流調速，往往需要進行是量和直接轉矩控制，來滿足各種工藝要求。

    利用變頻器拖動電動機，起動電流小，可以實現軟起動和無級調速，方便的進行加減速控制，是電動機獲得高性能，大幅度地節約電能，因而變頻器在工業生產和生活中得到了越來越廣泛的應用。

    存在的問題及對策

    隨著變頻器應用范圍的擴大，運行中出現的問題也越來越多，主要表現為：高次諧波、噪聲與振動、負載匹配、發熱等問題。本文針對以上問題進行分析并提出相應措施。

    諧波問題及對策

    通用變頻器的主電路形式一般由整流、逆變和濾波三部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，逆變部分為IGBT三項橋式逆變器，且輸入為PWM波形。輸出電壓中含有除基波以外的其它諧波，較低次諧波通常對電動機負載影響較大，引起轉矩脈動；而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電動機出力不足，因此變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制，可以采用以下方法抑制諧波。

    （1）增加變頻器供電電源內阻抗

    通常電源設備的內阻抗可以器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。

   （2）安裝電抗器

    在變頻器的輸入端與輸出端串接合適的電抗器，或安裝諧波濾波器，濾波器的組成為LC型，吸收諧波和增大電源或負載阻抗，達到抑制目的。

    （3）采用變壓器多項運行

    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－△、△－△組合的變壓器構成12脈波的效果，可減小低次諧波電流，很好的抑制了諧波。

    （4）設置專用諧波

    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，從而可以有效的吸收諧波電流。

    噪聲與振動及其對策

    采用變頻器調速，將產生噪聲和振動，這是變頻器輸出波形中含有高次諧波分量所產生的影響。隨著運轉頻率的變化，基波分量、高次諧波分量都在大范圍內變化，很可能引起與電動機的各個部分產生諧振等。

    （1）噪聲問題及對策

    用變頻器傳動電動機時，由于輸出電壓電流中含有高次諧波分量，氣隙的高次諧波磁通增加，故噪聲增大。電磁噪聲由以下特征：由于變頻器輸出中的低次諧波分量與轉子固有機械頻率諧振，則轉子固有頻率附近的噪聲增大。變頻器輸出中的高次諧波分量與鐵心機殼軸承架等諧振，在這些部件的各自固有頻率附近處的噪聲增大。

    變頻器傳動電動機產生的噪聲特別是刺耳的噪聲與PWM控制的開關頻率有關，尤其在低頻區更為顯著。一般采用以下措施平抑和減小噪聲：在變頻器輸出側連接交流電抗器。如果電磁轉矩有余量，可將U / f定小些。采用特殊電動機在較低頻的噪聲音量較嚴重時，要檢查與軸系統（含負載）固有頻率的諧振。

    （2）振動問題及對策

    變頻器工作時，輸出波形中的高次諧波引起的磁場對許多機械部件產生電磁策動力，策動力的頻率總能與這些機械部件的固有頻率相近或重合，造成電磁原因導致的振動。對振動影響大的高次諧波主要是較低次的諧波分量，在PAM方式和方波PWM方式時有較大的影響。但采用正弦波PWM方式時，低次的諧波分量小，影響變小。

    減弱或消除振動的方法，可以在變頻器輸出側接入交流電抗器以吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。使用PAM方式或方波PWM方式變頻器時，可改用正弦波PWM方式變頻器，以減小脈動轉矩。從電動機與負載相連而成的機械系統，為防止振動，必須使整個系統不與電動機產生的電磁力諧波。

    負載匹配及對策

    生產機械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉矩特性不同，因此應用變頻器前首先要搞清電動機所帶負載的性質，即負載特性，然后再選擇變頻器和電動機。負載有三種類型：恒轉矩負載、風機泵類負載和恒功率負載。不同的負載類型，應選不同類型的變頻器。

    （1）恒轉矩負載

    恒轉矩負載又分為摩擦類負載和位能式負載。

    摩擦類負載的起動轉矩一般要求額定轉矩的150%左右，制動轉矩一般要求額定轉矩的100%左右，所以變頻器應選擇具有恒定轉矩特性，而且起動和制動轉矩都比較大，過載時間和過載能力大的變頻器，如FR-A540系列。

    位能負載一般要求大的起動轉矩和能量回饋功能，能夠快速實現正反轉，變頻器應選擇具有四象限運行能力的變頻器，如FR-A241系列。

    （2）風機泵類負載

    風機泵類負載是典型的平方轉矩負載，低速下負載非常小，并與轉速平方成正比，通用變頻器與標準電動機的組合最合適。這類負載對變頻器的性能要求不高，只要求經濟性和可靠性，所以選擇具有U/f=const控制模式的變頻器即可，如FR-A540(L)。如果將變頻器輸出頻率提高到工頻以上時，功率急劇增加，有時超過電動機變頻器的容量，導致電動機過熱或不能運轉，故對這類負載轉矩，不要輕易將頻率提高到工頻以上。

    （3）恒功率負載

    恒功率負載指轉矩與轉速成反比，但功率保持恒定的負載，如卷取機、機床等。對恒功率特性的負載配用變頻器時，應注意的問題：在工頻以上頻率范圍內變頻器輸出電壓為定值控制，，所以電動機產生的轉矩為恒功率特性，使用標準電動機與通用變頻器的組合沒有問題。而在工頻以下頻率范圍內為U/f定值控制，電動機產生的轉矩與負載轉矩又相反傾向，標準電動機與通用變頻器的組合難以適應，因此要專門設計。

    發熱問題及對策

    變頻器發熱是由于內部的損耗而產生的，以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱。主要方法有：

    （1）采用風扇散熱：變頻器的內裝風扇可將變頻器箱體內部散熱帶走。

    （2）環境溫度：變頻器是電子裝置，內含電子元件機電解電容等，所以溫度對其壽命影響較大。通用變頻器的環境運行溫度一般要求－10℃~+50℃，如果能降低變頻器運行溫度，就延長了變頻器的使用壽命，性能也穩定。