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变频器应用在存在问题分析及措施

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：曹立锋

[导读] 摘要：主要介绍了变频器实际生产应用中出现的问题原因分析，及采取相应的措施

        中油电能电力技术服务公司
        摘要：主要介绍了变频器实际生产应用中出现的问题原因分析，及采取相应的措施
        关键词：变频器；干扰；故障
        一、引言
        随着变频技术的迅猛发展，优秀调速和节能性能，使得变频器在工厂已全面推广和应用，要求越来越多的电工掌握变频技术，使之成为每个电工技术人员的必备知识，因此提高电工变频知识显得越发重要。
        二、电动机的启动方式
        1）工频启动
        工业启动又叫全电压启动，启动过程快，动态转矩大，对生产机械造成很大冲击，其启动电流大，一般达额定电流4-7倍，对电网产生干扰。
        2）软启动
        为了减少启动电流在软启动设备出现前，大量采用星-角起动，自耦减压启动，电抗器启动方式，虽比全压启动有所改进，但仍存在二次冲击电流问题。软启动是运用串接在电源与电动机间的软起动器对电动机进行起动，是一个无级减压的起动过程，起动方式是使输入电动机的电压从零以预设的函数关系平滑上升，直到起动结束，不会对网产生冲击，起动过程中，频率保持不变，起动开始，转矩较低，转矩随转速增加。
        3）变频器
        变频启动频率从0HZ开始，按预置的加速时间逐渐上升到工频或给定的频率，输出电压按V/F关系也是从最低逐渐上升，与软启动相比，不但同样起动电流小，起动平衡，而且克服了软启动起动转矩过小缺点，通过降低频率和电压降低启动电流，且运行频率可随时调节。
        三、变频器的主要结构和工作原理
        1）整流单元
        与单相或三相交流电源相连接通过桥式整流，产生脉动的直流电。
        2）中间电路
        主要有作用：a.使脉动的直流电变得稳定或平滑，传送逆变器使用。b.通过开关电源为各个控制电路提供电源。c.可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。
        3）逆变电路
        固定的直流电压通过IGBT变换成可变电压和频率的交流电压。
        4）控制电路
        相当于计算机的CPU系统，进行综合分析运算，并将结果传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。b.提供操作变频器的各种控制信号。c.监视变频器的工作状态，提供保护功能。
        四、变频器在生产应用中存在问题
        工业生产中几乎离不开变频器，变频器也带来了许多前所未有的困扰，其中损伤电机就是最典型的现象之一。我公司在近年生产过程中，发生同期投产多台注水电机，其中有一台由变频器驱动的电机，运行期间反复出现异常，最终损伤电机现象。而其它软启动工频电机均运行正常，后更换新电机，工频状态下运行无任何异常，变频运行时噪音明显增大，虽然通过调整载波频率进行降噪处理，但此电机依然存在温升过高等异常现象。确定为变频器的影响，因此变频器对电机的不利影响应引起注意，但是人们对造成这种现象的机理还不清楚，更不知道如何来预防。

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        变频器对电机的影响包括两个方面，定子绕组和转子的影响，严重时损伤定子或转子，具体由变频器的质量、电机的质量、负载大小、变频器的载波频率、变频器与电机之间的电缆长度、环境温度等诸多因素有关。工频电机在变频器驱动条件下更容易受影响主要原因变频器输出电压脉宽调制的电压波形（PWM电压），此电压含有高次谐波，而不是正弦波电压波形，用脉冲电压驱动电机就是导致电机容易损坏的根本原因。
        脉冲电压在电缆上传输时，如果电缆的阻抗与负载的阻抗不匹配，在负载端会产生反射。反射的结果是，入射波与反射波叠加，形成更高的电压，它的幅度大大高于变频器输出电压，过高的尖峰电压加在电机定子的线圈上，对定子线圈造成电压冲击，频繁的过电压冲击会导致电机过早损伤。
        变频器驱动的电机受到尖峰电压的冲击后，同时会造成电机振动加大，噪音增加，它的实际寿命与很多因素，包括，温度、污染、振动、电压、载波频率以及线圈绝缘的工艺等因素有关。变频器的载波频率越高，输出电流波形越接近正弦波，减少噪音，但电机定子的集肤效应也越严重，电机损耗越大，输出功率就会降低，更高的载波频率意味dv/dt电压变化率越大，每秒钟产生的尖峰电压数量更多，对电机的冲击次数更多。
        电机的温度越高，绝缘的寿命越短，由于PWM电压包含较多的高次谐波成份，在定、转子存在漏磁，涡流明显增大等不利现象，进一步增加温升，电机温度会远高于工频电压驱动的情况。
        变频器损伤电机转子轴承的原因是，有流过轴承的电流，并且这种电流处于断续连通的状态，断续连通的电流会使转子铁芯温度升高，甚至产生电弧，烧毁轴承。
        导致交流电机的轴承中流过电流的原因主要有两个，第一，内部电磁场不平衡产生的感应电压，第二，杂散电容引起的高频电流通路。
        理想交流感应电机内部的磁场是对称的，当三相绕组的电流相等，相位差120度时，不会在电机的轴杆上感应出电压。变频器输出的PWM电压导致电机内部的磁场不对称时，就会在轴杆上感应出电压，这与驱动电压大小和频率有关，驱动电压越高，轴杆上的电压越高。当这个电压的数值超过轴承中的润滑油的绝缘强度时，就会形成一个电流通路。轴杆旋转过程中，在某个时刻，润滑油的绝缘又阻断了电流。在电机工作的初期，润滑油温度较低的时候，对电流阻断效果明显，随着温度升高，粘度降低阻断效果降低，可能间隙性产生飞弧，在轴承部件的表面形成小坑。烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面，形成凹坑。再加上振动增大，受力不均匀，轴杆上的电压谐波种类越多，转子损伤越严重，这对电机的运转影响很大，变频器驱动的电机必须进行降噪处理的主要原因之一。
        当变频器至驱动电机距离较远时，电缆的长度超过30米时，杂散电容和阻抗影响明显，变频器必然会在电机端产生尖峰电压，缩短电机的寿命。解决这个问题就是采取措施减小尖峰电压。减少电压中谐波分量，保证输出波形正弦波。
        以前对这方面的重视不够，变频器本身就是谐波源，更多关注变频器本身，而忽略需要配置一些附件的重要性。对谐波有以下几方面综合治理，
        1、变频器电源输入端加电抗器、滤波器，有效削减电网高次谐波，提高输入功率因数，又提高输入电压质量，在直流端加装直流电抗器，又进一些对谐波有效抑制，提高功率因数。
        2、在变频器的输出端安装电抗器：这个方法最直接对于较短的电缆（30米以下）效果好，投资最少。
        3、在变频器的输出端安装滤波器：这个措施适用于电缆长度30米的场合，效果明显的改善。
        4、在变频器的输出端安装小型智能化滤波器等消谐装置，动态跟踪谐波治理，更好提高电压质量，而且提高功率因数，市场上产品也很多，当然投资略高于前两者。
        五、结束语
        采用变频器作为异步电动机驱动器，尽管采用先进工艺和器件制造出来的变频器可靠性非常高，通过以上分析可以看出，从设计选型到生产运行中很多措施不完善导致变频器实际生产中仍存在问题，而非变频器本身质量原因，造成变频器和所驱动设备的故障甚至损坏。要想在生产过程中，使用好变频器，熟悉变频器的结构原理，拖动设备的机械特性，了解常见故障，对技术人员尤为重要。