变频器在工业自动化控制系统应用中的注意事项及其基本选型

赵想世

（天水日报社，甘肃 天水 741000）

1 引言

随着电力电子技术的不断提高和进步，变频技术得到了飞速发展，并且由于变频器售价的不断下降，使用寿命的延长，维护的方便，其使用功能的不断扩展，使变频技术广泛应用于工业控制系统中，变频器的大量推广使用，在节能、自动化及提高生产率和质量等方面都取得了非常显著的应用效果。但变频器毕竟是近二十年来新出现的一种涵盖了多种高新技术的电力电子产品，在工业自动化控制的现场设备中，实际上存在着部分变频器不能长期稳定正常工作或真正发挥其应有功能的现象，究其原因，绝大部分都是在设计上考虑不周选用不当所致的，不但造成一定的经济损失，而且使配电系统解列。结合工程设计，分析和总结变频器在工业自动化控制系统应用中的一些注意事项和选型原则，以便达到节能高效运行并充分发挥变频器应用功能的目的。

2 变频器在工业自动化控制系统应用中的注意事项

2.1 变频器的散热

变频器对散热有较高的要求，其故障率随着温度的升高而上升，使用寿命随温度升高而下降。变频器内部装有冷却风扇，为了使冷却循环效果良好，必须将变频器垂直安装，空气从下向上流通。如将多台变频器安装在同一控制箱内，为了减少相互热影响，建议横向并列安装。在实际使用中，应定期检查变频器的冷却风扇，冷却风扇运行最好有温度控制，或与变频器工作联动。

2.2 变频器的谐波干扰

变频器采用PWM（脉宽调制）控制方式，使得变频器运行时在电源侧产生谐波电流，使电压和电流波形畸变，引发电能质量问题，干扰其它电子设备的正常工作。通常在变频器输入侧加装滤波电抗器，以降低谐波分量，另外采取将变频器在专用接地点正确接地的方法，以提高控制系统灵敏度、抑制噪声。接地端子E（G）接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm2，长度应控制在20m以内。

2.3 变频器至电机超长距离的补偿措施

由于变频器输出电压是矩形脉冲，du／dt非常大，电缆存在电抗值Z和对地电容C，所以变频器的输出会产生过电压。变频器输出过电压计算公式为：U＝ZCdu／dt，可见电机电缆越长，电缆电抗值Z和分布电容C越大，过电压也就越大。电机电缆如果采用屏蔽电缆或铠装电缆，因此类电缆分布电容比普通电缆要大，所以过电压会更大。一般变频器输出电缆超过50m就应采取补偿措施，在变频器输入侧加装电抗器可抑制输出过电压，加装电抗器后可将输出距离延长到300m。具体设计时需参考所选用的变频器技术资料。

2.4 变频器和接触器配合控制

图1 变频器的两种接线形式

一般来说，变频器的接线形式主要区别在接触器的连接上，分接在进线侧或接在出线侧两种形式如图1所示，接触器受变频器故障触点控制，当发生故障时，变频器故障触点控制接触器断开，从而保护变频器。接线形式（a），适用于恒转矩类负载，如起重类设备、传送带、多轴传动等，电机长期运行在电磁制动状态或使电机在发电状态。在这两种情况下，会有大量的能量反馈到变频器的直流母线上，使得直流母线电压升高。变频器通过制动电阻将这些多余的能量以热能的形式消耗掉，或通过能量反馈装置将这些能量转换成交流电，反馈回电网。如果变频器母线上的电压在很短时间内急剧升高而来不及将这部分能量消耗或转化，就可能击穿变频器内部的稳压储能电容，造成严重事故。所以如果电机运行在电磁制动状态或发电状态，应采用进线接触器方式，以便在变频器母线电压升高到一定值时，故障触点控制进线接触器断开，使得变频器主回路失电，从而保护变频器和主电路。采用进线接触器，相应的控制线路比较复杂。接线形式（b），适用于变转矩类负载，如风机、水泵等，负载不会运行在发电状态及电磁制动状态，从实际应用的角度分析，接触器建议安装在出线侧，或者可以不用。采用出线接触器，相应的控制线路比较简单。

变频器接线中如果采用了接触器，无论接在出线侧还是进线侧，接触器控制回路的启／停操作必须独立。严禁用进线接触器的辅助触点控制变频器的启动，如果变频器每次启停都要通断接触器，会使变频器内部储能电容频繁充放电，从而严重影响变频器的使用寿命。正确的控制是：先使主回路得电，变频器处于待机状态，然后通过中间继电器的长开触点控制变频器控制电源的通断。

3 变频器在工业自动化控制系统应用中的选型

变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的，选择变频器时必须按照所驱动负载设备的类型、转矩特性、调速范围、静态速度精度和使用环境的要求，决定选用何种控制方式与防护结构的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际控制要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。在实际工程应用中，主要根据以下几个方面来进行变频器的选型。

3.1 变频器防护等级

变频器防护等级要与其使用的环境条件相适应，即必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素，这与变频器能否长期、安全、可靠运行关系重大。大多数变频器厂商可提供以下几种常用的防护等级供用户选用：①敞开型IP00型：本身无机箱，适用于装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频器集中使用时，选用这种型式较好，但环境条件要求较高；②封闭型IP20型：适用于一般用途，可有少量灰尘或少许湿度、温度的场合；③密封IP45型：适用工业现场条件较差的环境；④密闭IP65型：适用于环境条件差，有水、灰尘及一定腐蚀气体的场合。

3.2 变频器功率

从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：①变频器功率与电动机功率相当时为最合适，以利于变频器在高频状态下运转；②在变频器的功率分级与电动机的功率分级不相同时，变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，并且应略大于电动机的功率；③当电动机频繁启动、制动工作或处于重载启动且较频繁时，可选取大一级的变频器，以利于变频器长期、安全地运行；④经测试，电动机的实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作；⑤对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高海拔高度等情况下，在选用变频器时应放大一级使用。

3.3 设备类型及负载特性

负载种类不同，其转矩TL与转速n的关系亦不同，选用通用变频器时应根据负载特性正确选择。在生产机械负载中大致可分为三种类型：恒转矩负载、恒功率负载和平方转矩负载，其负载特性曲线如图2所示。

图2 典型的负载特性曲线图

（1）恒转矩负载

负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机等负载都属于恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，则应该考虑异步电动机的散热能力，适当选择电机及散热装置。

（2）平方转矩负载

在各种风机、水泵、油泵等负载中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n2成正比。随着转速的减小，转矩按转速n2减小。这种负载所需的功率与速度n3成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度n3成正比，所以通常不建议风机、泵类负载超工频连续运行。

（3）恒功率负载

所谓的恒功率负载如轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机等，其要求的转矩大体与转速成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。负载的恒功率性质是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，电动机的容量和变频器的容量均最小。

3.4 变频器容量的确定

变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。对于轻负载类，变频器电流一般应按 IM＝（1.05～1.1）IN（IN 为电动机额定电流，1.05及1.1为安全系数）来选择，或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。

4 结束语

随着变频器应用功能的不断扩展延伸和工业通讯能力的增强，从几千瓦到数千千瓦的变频器正不断大量应用于各种工业自动化控制系统中，并且市场上也出现了专门针对不同负载特性和应用场合的专用变频器，如何合理、安全、经济地选择并使用好变频器就显得格外重要，而要用好变频器首先就要在电气控制原理设计上考虑周到，根据具体运行要求正确恰当地选择好相应变频器的功能和型号。在工业自动化控制系统的实践应用中，根据以上介绍的一些注意事项和基本选型原则并结合具体变频器的使用说明来对变频器选型和定型，以便能节能高效地运行并充分发挥变频器的应用功能，在现场生产过程中尽量减少不必要的经济损失。

［1］王兆义.变频器应用：专业技能入门与精通［M］.北京：机械工业出版社，2010.5

［2］李方园.变频器应用与维护［M］.北京：中国电力工业出版社，2009.6