引言
隨著通用變頻器市場的日益繁榮，不包括OEM進口變頻器，中國通用變頻器年用量超過25億元人民幣，變頻器及其附屬設備的安裝、調試、日常維護及維修工作量劇增，給用戶造成重大直接和間接損失。本文就針對造成以上問題的原因，根據大量用戶的實際應用情況，從應用環(huán)境、電磁干擾與抗干擾、電網質量、電機絕緣等方面進行了分析，提出了一些改進的建議。
2 工作環(huán)境問題
在變頻器實際應用中，由于國內客戶除少數有專用機房外，大多為了降低成本，將變頻器直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場。工作現(xiàn)場一般是灰塵大、溫度高，在南方還有濕度大的問題。對于線纜行業(yè)還有金屬粉塵，在陶瓷、印染等行業(yè)還有腐蝕性氣體和粉塵，在煤礦等場合，還有防爆的要求等等。因此必須根據現(xiàn)場情況做出相應的對策。
2.1 變頻器的安裝設計基本要求
(1) 變頻器應該安裝在控制柜內部。
(2) 變頻器最好安裝在控制柜內的中部;變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風、進風的大元件。
(3) 變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部、或者隔板、或者必須安裝的大元件等的最小間距，應該大于300mm。
柜內安裝變頻器的基本要求
(4) 如果特殊用戶在使用中需要取掉鍵盤，則變頻器面板的鍵盤孔，一定要用膠帶嚴格密封或者采用假面板替換，防止粉塵大量進入變頻器內部。
(5) 對變頻器要進行定期維護，及時清理內部的粉塵等。
(6) 其它的基本安裝、使用要求必須遵守用戶手冊上的有關說明;如有疑問請及時聯(lián)系相應廠家技術支持人員。
2.2 防塵控制柜的設計要求
在多粉塵場所，特別是多金屬粉塵、絮狀物的場所使用變頻器時，采取正確、合理的防護措施是十分必要的，防塵措施得當對保證變頻器正常工作非常重要。總體要求控制柜整體應該密封，應該通過專門設計的進風口、出風口進行通風;控制柜頂部應該有防護網和防護頂蓋出風口;控制柜底部應該有底板和進風口、進線孔，并且安裝防塵網。
(1) 控制柜的風道要設計合理，排風通暢，避免在柜內形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。
(2) 控制柜頂部出風口上面要安裝防護頂蓋，防止雜物直接落入；防護頂蓋高度要合理，不影響排風。防護頂蓋的側面出風口要安裝防護網，防止絮狀雜物直接落入。
(3) 如果采用控制柜頂部側面排風方式，出風口必須安裝防護網。
(4) 一定要確保控制柜頂部的軸流風機旋轉方向正確，向外抽風。如果風機安裝在控制柜頂部的外部，必須確保防護頂蓋與風機之間有足夠的高度；如果風機安裝在控制柜頂部的內部，安裝所需螺釘必須采用止逆彈件，防止風機脫落造成柜內元件和設備的損壞。建議在風機和柜體之間加裝塑料或者橡膠減振墊圈，可以大大減小風機震動造成的噪音。
(5) 控制柜的前、后門和其他接縫處，要采用密封墊片或者密封膠進行一定的密封處理，防止粉塵進入。
(6) 控制柜底部、側板的所有進風口、進線孔，一定要安裝防塵網。阻隔絮狀雜物進入。防塵網應該設計為可拆卸式，以方便清理、維護。防塵網的網格要小，能夠有效阻擋細小絮狀物(與一般家用防蚊蠅紗窗的網格相仿);或者根據具體情況確定合適的網格尺寸。防塵網四周與控制柜的結合處要處理嚴密。
(7) 對控制柜一定要進行定期維護，及時清理內部、外部的粉塵、絮毛等雜物。維護周期可根據具體情況而定，但應該小于2～3個月;對于粉塵嚴重的場所，建議維護周期在1個月左右。
防塵控制柜的安裝要求
2.3 防潮濕霉變的控制柜的設計要求
多數變頻器廠家內部的印制板、金屬結構件均未進行防潮濕霉變的特殊處理，如果變頻器長期處于這種狀態(tài)，金屬結構件容易產生銹蝕，對于導電銅排在高溫運行情況下，更加劇了銹蝕的過程。對于微機控制板和驅動電源板上的細小銅質導線，由于銹蝕將造成損壞，因此，對于應用于潮濕和和含有腐蝕性氣體的場合，必須對于使用變頻器的內部設計有基本要求，例如印刷電路板必須采用三防漆噴涂處理，對于結構件必須采用鍍鎳鉻等處理工藝。除此之外，還需要采取其它積極、有效、合理的防潮濕、防腐蝕氣體的措施。
(1) 控制柜可以安裝在單獨的、密閉的采用空調的機房，此方法適用控制設備較多，建立機房的成本低于柜體單獨密閉處理的場合，此時控制柜可以采用如上防塵或者一般環(huán)境設計即可。
(2) 采用獨立進風口。單獨的進風口可以設在控制柜的底部，通過獨立密閉地溝與外部干凈環(huán)境連接，此方法需要在進風口處安裝一個防塵網，如果地溝超過5m以上時，可以考慮加裝鼓風機。
(3) 密閉控制柜內可以加裝吸濕的干燥劑或者吸附毒性氣體的活性材料，并近期更換。
3 干擾問題
3.1 變頻器對微機控制板的干擾
在注塑機、電梯等的控制系統(tǒng)中，多采用微機或者PLC進行控制，在系統(tǒng)設計或者改造過程中，一定要注意變頻器對微機控制板的干擾問題。由于用戶自己設計的微機控制板一般工藝水平差，不符合EMC國際標準，在采用變頻器后，產生的傳導和輻射干擾，往往導致控制系統(tǒng)工作異常，因此需要采取必要措施。
(1) 良好的接地。電機等強電控制系統(tǒng)的接地線必須通過接地匯流排可靠接地，微機控制板的屏蔽地，最好單獨接地。對于某些干擾嚴重的場合，建議將傳感器、I/O接口屏蔽層與控制板的控制地相連[3]。
(2) 給微機控制板輸入電源加裝EMI濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等，成本低。可以有效抑制傳導干擾。另外在輻射干擾嚴重的場合，如周圍存在GSM、或者小靈通機站時，可以對微機控制板添加金屬網狀屏蔽罩進行屏蔽處理。
微機控制板的電源抗干擾措施
(3) 給變頻器輸入加裝EMI濾波器，可以有效抑制變頻器對電網的傳導干擾，加裝輸入交流和直流電抗器L1、L2，可以提高功率因數，減小諧波污染，綜合效果好。在某些電機與變頻器之間距離超過100m的場合，需要在變頻器側添加交流輸出電抗器L3，解決因為輸出導線對地分布參數造成的漏電流保護和減少對外部的輻射干擾。一個行之有效的方法就是采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，并將鋼管外殼或者電纜屏蔽層與大地可靠連接。請注意，在不添加交流輸出電抗器L3時，如果采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，增大了輸出對地的分布電容，容易出現(xiàn)過流。當然在實際中一般只采取其中的一種或者幾種方法。
減小變頻器對外部控制設備的干擾措施
(4) 對模擬傳感器檢測輸入和模擬控制信號進行電氣屏蔽和隔離。在變頻器組成的控制系統(tǒng)設計過程中，建議盡量不要采用模擬控制，特別是控制距離大于1M，跨控制柜安裝的情況下。因為變頻器一般都有多段速設定、開關頻率量輸入輸出，可以滿足要求。如果非要用模擬量控制時，建議一定采用屏蔽電纜，并在傳感器側或者變頻器側實現(xiàn)遠端一點接地。如果干擾仍舊嚴重，需要實現(xiàn)DC/DC隔離措施。可以采用標準的DC/DC模塊，或者采用V/F轉換，光藕隔離再采用頻率設定輸入的方法。
3.2 變頻器本身抗干擾問題
當變頻器的供電系統(tǒng)附近，存在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源或者采用滑環(huán)供電的場合，變頻器本身容易因為干擾而出現(xiàn)保護。建議用戶采用如下措施：
(1) 在變頻器輸入側添加電感和電容，構成LC濾波網絡。
(2) 變頻器的電源線直接從變壓器側供電。
(3) 在條件許可的情況下，可以采用單獨的變壓器。
(4) 在采用外部開關量控制端子控制時，連接線路較長時，建議采用屏蔽電纜。當控制線路與主回路電源均在地溝中埋設時，除控制線必須采用屏蔽電纜外，主電路線路必須采用鋼管屏蔽穿線，減小彼此干擾，防止變頻器的誤動作。
(5) 在采用外部模擬量控制端子控制時，如果連接線路在1M以內，采用屏蔽電纜連接，并實施變頻器側一點接地即可;如果線路較長，現(xiàn)場干擾嚴重的場合，建議在變頻器側加裝DC/DC隔離模塊或者采用經過V/F轉換，采用頻率指令給定模式進行控制。
(6) 在采用外部通信控制端子控制時，建議采用屏蔽雙絞線，并將變頻器側的屏蔽層接地(PE)，如果干擾非常嚴重，建議將屏蔽層接控制電源地(GND)。對于RS232通信方式，注意控制線路盡量不要超過15m，如果要加長，必須隨之降低通信波特率，在100m左右時，能夠正常通信的波特率小于600bps。對于RS485通信，還必須考慮終端匹配電阻等。對于采用現(xiàn)場總線的高速控制系統(tǒng)，通信電纜必須采用專用電纜，并采用多點接地的方式，才能夠提高可靠性。
4 電網質量問題
在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合，電壓經常出現(xiàn)閃變;在一個車間中，有幾百臺變頻器等容性整流負載在工作時，電網的諧波非常大，對于電網質量有很嚴重的污染，對設備本身也有相當的破壞作用，輕則不能夠連續(xù)正常運行，重則造成設備輸入回路的損壞。可以采取以下的措施：
集中整流的直流共母線供電方式
(1) 在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合建議用戶增加無功靜補裝置，提高電網功率因數和質量。
(2) 在變頻器比較集中的車間，建議采用集中整流，直流共母線供電方式。建議用戶采用12脈沖整流模式。優(yōu)點是，諧波小、節(jié)能，特別適用于頻繁起制動、電動運行與發(fā)電運行同時進行的場合。
(3) 變頻器輸入側加裝無源LC濾波器，減小輸入諧波，提高功率因數，成本較低，可靠性高，效果好。
(4) 變頻器輸入側加裝有源PFC裝置，效果最好，但成本較高。
5 電機的漏電、軸電壓與軸承電流問題
變頻器驅動感應電機的電機模型，Csf為定子與機殼之間的等效電容，Csr為定子與轉子之間的等效電容，Crf為轉子與機殼之間的等效電容，Rb為軸承對軸的電阻;Cb和Zb為軸承油膜的電容和非線性阻抗。
高頻PWM脈沖輸入下，電機內分布電容的電壓耦合作用構成系統(tǒng)共模回路，從而引起對地漏電流、軸電壓與軸承電流問題。
變頻器驅動感應電機的電機模型
漏電流主要是PWM三相供電電壓極其瞬時不平衡電壓與大地之間通過Csf產生。其大小與PWM的dv/dt大小與開關頻率大小有關，其直接結果將導致帶有漏電保護裝置動作。另外，對于舊式電機，由于其絕緣材料差，又經過長期運行老化，有些在經過變頻改造后造成絕緣損壞。因此，建議在改造前，必須進行絕緣的測試。對于新的變頻電機的絕緣，要求要比標準電機高出一個等級。
軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、EDM(Electric Discharge Machining)電流和環(huán)路電流。軸電壓的大小不僅與電機內各部分耦合電容參數有關，且與脈沖電壓上升時間和幅值有關。dv/dt電流主要與PWM的上升時間tr有關，tr越小，dv/dt電流的幅值越大;逆變器載波頻率越高，軸承電流中的dv/dt電流成分越多。EDM電流出現(xiàn)存在一定的偶然性，只有當軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內部發(fā)生接觸時，存儲在電子轉子對地電容Crf上的電荷(1/2 Crf×Urf)通過軸承等效回路Rb、Cb和Zb對地進行火花式放電，造成軸承光潔度下降，降低使用壽命，嚴重地造成直接損壞。損壞程度主要取決于軸電壓和存儲在電子轉子對地電容Crf的大小。
環(huán)路電流發(fā)生在電網變壓器地線、變頻器地線、電機地線及電機負載與大地地線之間的回路(如水泵類負載)中。環(huán)路電流主要造成傳導干擾和地線干擾，對變頻器和電機影響不大。避免或者減小環(huán)流的方法就是盡可能減小地線回路的阻抗。由于變頻器接地線(PE變頻器)一般與電機接地線(PE電機1)連接在一個點，因此，必須盡可能加粗電機接地電纜線徑，減小兩者之間的電阻，同時變頻器與電源之間的地線采用地線銅母排或者專用接地電纜，保證良好接地。對于潛水深井泵這樣的負載，接地阻抗ZE電機2可能小于ZE變壓器與ZE變頻器之和，容易形成地環(huán)流，建議斷開ZE變頻器，抗干擾效果好。
在變頻器輸出端串由電感、RC組成的正弦波濾波器是抑制軸電壓與軸承電流的有效途徑。目前有多家廠家可提供標準濾波器。
6 結束語
本文從變頻器實際應用系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題出發(fā)，從應用環(huán)境、電磁兼容、電網質量、電機絕緣等方面，有針對性地提出了一些解決問題的方法及改進的建議，對于變頻器在實際工程中的應用有一定的參考價值。
滬公網安備31010802001143號
