变频调速技术在实际应用中的关键问题

王涛峰

摘要：

随着半导体功率器件从GTO（门极可关断晶体管）、GTR（大功率晶体管）、BJT（双及型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）到现在IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使开关高频化的PWM技术与微处理器组成全数字化控制系统的现代变频调速技术得到广泛应用。变频调速技术具有较好的节能效果，经济效益显著，但是如何正确的使用变频器，显得越来越重要。

关键词：

变频调速技术；变频器；供电电压；谐波治理

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2014）04-0193-01

交流电动机的直接调速方式主要有变极调速（调整P）、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机（调整s）和变频调速（调整f）等，其中运用最广泛的就是变频调速。其基本原理是利用电机转速n与频率f成正比，只要改变输入电源频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段，随着变频调速技术的发展，其在各行各业的应用日益广泛。本文主要讨论电动机供电电压的选择、谐波的危害及治理以及变频器的工作及检修环境。

1 电动机供电电压的合理选择

为了隔离、改善输入电流及减小谐波，现在我国市场上主流的中压变频器都不是真正的直接变频，在其输入侧都装有输入变压器，这种配置现象在短时期内不会发生根本改变。既然输入侧已经有变压器，则变频器和电动机的电压等级就没有必要和电网一样。另外电动机供电电压等级的选择还影响电动机、变频器的价格，高电压等级必将导致其的价格提高，而相对应的变频器所利用基础元器件的数量增加也会导致其可靠性的降低。因此在实际应用中就有了变频器和电动机的合理电压等级选择问题。

在实际应用中，如果电动机供电电压等级越高，则电动机的绝缘等级必须满足更高电压等级的要求，从而导致电动机的价格增加。从电力电子器件特性及安全系数考虑，受电力电子器件的额定电压及电机允许的电压变化率dv/dt限制，6kV变频器必须采用多电平或多器件串联，造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差。以西门子罗宾康的PERFECTHARMONY系列6kV高压变频器为例，如果6kV电压等级的变频器采用1700V的IGBT，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，三相共45只器件，如果是用3300V的IGBT，每相由3个额定电压为690V的功率单元串联，三相共27只器件，数量巨大。另一方面是实际电流较小，器件的电流能力得不到充分利用，以500kW电动机为例，6kV电动机的电流不到60A，而1700V的IGBT电流已达2400A，3300V器件电流达1600A，有大器件不能用，偏要用大量小器件串联，这种现象就非常不合理。

输出同样功率的变频器，使用较高电压等级或较多单元串联所花的代价远大于用较低电压，所以200kW～800kW以下的变频调速宜选用660V电压等级，功率2500kW以下电压最好不超过3kV，660V电压等级的变频器线路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt小，价格便宜。例如630kW的660V的低压变频器约35万，而630kW的6kV中压变频器约90万，价格相差很大，但是电动机和变压器的价格却又远低于变频器的价格，即使增加电动机和变压器也能节约大笔投资。

2 谐波的危害及治理

谐波是指对周期性非正统交流量进行傅里叶基数分解得到的大于基波频率整数倍的各次分量，而逆变电路的开关特性对供电电源形成一个典型的非线性负载，它主要有以下危害：（1）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电输电及用电设备的效率，进而影响的正常工作，使发电机、变压器、电容器及电缆发生过热，加速老化，使发电机振动产生噪声污染，缩短了电器设备的电器设备；（2）谐波会在电网中的局部发生并联或者串联，致使谐波放大，引起电网事故；（3）谐波还会对邻近的通信系统产生干扰，降低通信质量，有的甚至是通信系统无法正常工作，从而导致信息丢失，信号执行机构误动作引起事故。

变频器装置投接入6kV电压等级的电网必须满足GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》及IEEE519-1992有关谐波抑制的规定，主要与电网容量和装置的额定功率有关，短路容量在1000MVA以内，1000kW装置12脉整流（变压器副边双绕组）可满足谐波抑制的规定，如果是24脉整流，其功率就可达2000kW，12脉整流基本上消除了幅值较大的5次和7次谐波。超过36脉整流，谐波电流幅值降低不显著，而制造成本过高。从实用角度看，整流桥组成12相整流可消除5次和7次谐波，基本满足电网谐波要求，因此400kW～800kW采用12相整流，1000kW～2500kW采用24相可以符合要求。

3 变频器的工作及检修环境

变频器强大的功能决定了其内部的复杂性，其内部主要是有高度集成的控制板和驱动板组成，属于精密的电子设备，安装和使用环境对变频器的寿命影响较大。首先安装和使用环境要干燥，良好通风，应尽可能避免布置给排水或暖气管道（尽量采用空调采暖通风，环境温度保持在-10-50℃，相对湿度保持在20%-90%范围），防止管道发生故障或检修时造成水淹或喷溅到变频装器上，造成变频器损坏。变频器长期运行时应避免在高湿度环境下使用，防止内部产生凝露，导致元件绝缘降低、性能劣化和金属表面的锈蚀。由于变频柜一般都带有的冷却风扇换，冷却风扇在换气时会吸入粉尘，而且电子元器件本身对粉尘也有较强的吸附作用，导致变频器内部元件和散热器就会被覆盖和阻塞，而非导电性粉尘的堆积，主要影响变频器内部元件、散热器和空气的热交换，使元件长期工作在超温状态，加速其老化甚至击穿，导电性粉尘会直接造成变频器内部电路板元件之间的短路或者击穿。由于大多数粉尘带有腐蚀性，长期大量堆积为对内部元件和印刷电路板的腐蚀作用，引起元件间短路、断路，导致设备及生产事故。

控制板和驱动板的集成电路板上包含了许多静电敏感元件（ESD），但是人体在通常情况下都是带有静电的，若果在检修时直接接触这些静电敏感元件，人体带有的较高的静电电压可能会击穿损坏这些元件，所以在进行变频器内部接线或检修时，尽量不要接触电子线路，还要避免线路板接触高绝缘材料，如果不可避免，就必须首先对身体进行放电，使用导电良好的工具材料进行操作，而且拆下的线路板应该放在导电性的材料内保存，防止静电危害。

综上所述，合理选择供电电压不仅能节约投资，缩短投资回收期，还能提高设备自身的性能，增长变频器的使用寿命，利用相关技术治理谐波问题可以减小谐波对电网的污染，创造理想的安装使用环境，利用正确方法和工具检修都可以延长设备的使用寿命，已达到更好的经济效益。

参考文献

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[2]周志敏，周纪海，纪爱华.变频调速系统工程设计与调试[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3]王廷才，屈保中，黄长喜.变频调速系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2012.