工业电气变频控制技术的应用

徐卫青

[摘    要]变频器是交流调速的重要设备，是改变交流电机的供电频率，从而改变交流电机的转速。文章主要分析了变频器的安装环境要求和安装要点，最后并提出了变频器的干扰问题发现与解决技巧，希望能为相关人员提供一些参考和帮助。

[关键词]变频器;安装;干扰

[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–0–02

Discussion on the Practical Application of Industrial Electric

Frequency Conversion Control Technology

Xu Wei-qing

[Abstract]Frequency converter is an important equipment of AC speed adjustment， is to change the power supply frequency of AC motor， thus changing the speed of AC motor.This paper mainly analyzes the installation environment requirements and installation points of frequency converter， and finally puts forward the interference problem discovery and solution skills of frequency converter， hoping to provide some reference and help for relevant personnel.

[Keywords]frequency converter; installation; interference1

1 變频器发展概况

变频器（variable-frequency drive，简称VFD），也称为变频驱动器或驱动控制器。变频器是可调速驱动系统的一种，是应用变频驱动技术改变交流电动机工作电压的频率和幅度，来平滑控制交流电动机速度及转矩，最常见的输入及输出都是交流电的交流/交流转换器。

变频器的出现是在人类社会进入工业化社会后。在19世纪，先后出现了直流电动机和交流电动机两种电动机。直流电动机控制方便，但有以下缺点：①直流电动机存在换向火花，难以应用在易燃易爆气体的恶劣环境中;②需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，使用寿命较短;③难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。交流电动机的控制比较困难，却具有以下优点：①不存在换向火花，可以应用在易燃易火暴气体的恶劣环境;②容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机;③结构坚固，工作可靠，易于维护保养。如何兼顾电动机的控制和大规模生产应用，成了最需要考虑问题。在经过一段时间技术改革和试验后，利用变频技术和微电子技术的变频器应运而生，从而解决了交流电动机最大的控制问题，使交流电动机成了动力驱动装置的主流。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外有保护功能，如过流、过压、过载保护等。

2 变频器的安装环境要求和安装要点

因为变频器应用广泛，涉及专业技术多，技术革新快，对它应用技术一直值得研究的地方。根据其特点，其安装环境需要注意几点。

2.1 环境温度要求

变频器运行温度在5 ～35 ℃。变频器一般安装在稳定固定在柜盘内中部位置，垂直安装。变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板或者必须安装的大元件等的最小间距，应该大于300 mm。考虑到变频器运行过程中会产生很大的热量，盘柜内上下通风条件应良好，变频器进出风口避免有大的元器件阻挡。在室内安装时最好配置空调，有助于系统降温，保证变频器在适当温度下稳定运行。

2.2 环境湿度要求

在变频器使用环境相对湿度：≤85%R.H。

2.3 环境空气质量要求

不含高浓度粉尘及易燃、易爆气体或粉尘，附件没有强电磁辐射源。如果必须安装在环境内，变频器盘柜的防腐、防水、防潮、防爆、防辐射等级必须满足实际使用要求。

2.4 变频器盘柜系统接地

要求可靠接入附近的公共接地系统。变频器控制端的接地，需要单独引出，并接入专用的屏蔽接地系统，防止电源信号干扰。除了要注意变频器安装环境的前提条件，变频器常规安装方法，还要注意以下事项：

①信号线与动力线要垂直交叉或分槽布线;②不采用不同金属的导线相互连接;③屏蔽管（层）应可靠接地，并保证整个长度上连续可靠接地。屏蔽接地的方式，一般是单侧接地。厂家有特殊需要的，按厂家要求来处理;④信号电路中要使用双绞线屏蔽电缆;⑤屏蔽层接地点尽量远离变频器，并与变频器接地点分开;⑥在变频器输入电源线和输出线上使用磁环，输入线一起朝同一方向绕4圈，而输出线朝同一方向绕3圈即可。绕线时需注意，尽量将磁环靠近变频器;⑦一般对被干扰设备仪器，均可采取屏蔽及其他抗干扰措施。

变频器作为变频设备的核心部件，良好的运行环境和合理安装技巧是其稳定工作的重要保证。注意了这些基本要素，会减少后面上电调试、运行维护中很多突然出现的故障问题。

3 变频器的干扰问题发现与解决技巧

变频器作为高频率使用的设备，其在调试和使用过程中，会有各种问题出现，最常见的问题就是干扰问题。因为变频器用于强电电源的转换控制，容易对附近设备和线路产生干扰。

（1）变频器干扰方式一般按传播方式来分，分为辐射干扰和传导干扰。对于通过辐射方式传播的干扰信号，主要通过布线以及对放射源和对被干扰的线路进行屏蔽的方式来削弱。常见的情况是机柜安装完毕，上电调试时，变频器柜附近的电子元器件、线路受到莫名干扰，不同厂家的产品，其强弱干扰情况强度有所不同。这就要对变频器柜内的线路进行布局适当改动，并有效隔离。需要用根据实际情况进行改动，测试合格后，才能使用。

在一个某污水厂处理项目中，几台变频泵控制柜的上电试运行过程中，泵启停正常，低频启动，变频调速运转都正常，但是调试人员在调试过程中发现：在泵机运行停止后，柜面的运行指示灯还会有偶尔有微弱的光闪烁。这是一个不正常的现象，经过数次启停，发现一直有这个问题，马上安排进行技术检查：柜内电气元器件都稳固，接线可靠;外部进线动力电缆进线与控制线缆分开布置，间隔超过规范要求，并固定可靠;系统接地与屏蔽接地都正确，连接可靠，硬件检查没有问题。仔细看了柜内电气原理图，发现图纸上指示灯的电源时接入了变频器的二次回路，当变频器启动带电时，指示灯的电源回路闭合，灯亮了，代表泵已经启动。当泵停止，二次回路断开，灯已经熄灭（实际已经熄灭），但是闪过的微弱电光只能是电源带电了，但是变频器二次回路已经断开，灯的主電源也处于断开。用万用表在灯柜门上的接线位置两端进行测量，发现停泵后，万用表上还有3V左右交流电压出现，并不持久，2～3 s内就消失，但过了几秒还会出现，反复出现3～4次才消失。把变频器厂家和机柜厂家的技术人员一起叫到现场，再次检查分析，一致认为是灯受到电磁场的干扰。柜的附近没有强磁场设备，那么磁场就来自于变频器与主电源回路本身。泵主电源在柜背面，变频器在柜中间，两者中间有金属隔板隔离，而灯在柜前门，所以主电源侧干扰可能性不大。但变频器本身是交流—直流—交流转换，会导致周围有磁场变化，离二次回路的线路也较近，极有可能是辐射干扰。于是在指示灯的柜门上加了隔离金属板。然后再上电测试，多次启停后，指示灯的不再有微弱光闪烁，万用表再次测量灯的电压，电压基本为0v。处理结果良好，各方都表示可以接受。

（2）另一类的干扰就比较常见，线缆传导干扰。对于通过线路传播的干扰信号，主要通过在变频器输入输出侧加装滤波器，电抗器或磁环等方式来处理。

但是实际情况时，有了这种措施，有时候还会有干扰产生。在一个项目上，已经上电，正在进行调试，发现一个线路干扰问题。问题发生在车间控制室内一个通信柜，运行时发现数据异常。在这个车间控制室内，22个变频器柜，通过PROFI-DP总线把变频器及电机的运行信息传送到在同一房间内的DP通信柜内，然后光纤通信传输到DCS，进行监控。变频器柜和通信柜是安装完成，电源、接地都良好。通信线路是从变频器柜走专用线槽敷设通信柜。为了查出是变频器本身产生还是线路传输过程中被干扰，应做以下检查。首先，设备上电投用，在变频器侧，专业人员一一拔出DP通信线接口，由在中控室一侧的专业人员在DCS中查看数据是否异常。在排查了十几根通信线后，发现一根通信线先后拔下后，通信数据有所变化。对怀疑的那根通信线重新接上，重复3次后，确认有问题。其次，对剩余通信线继续检查测试，又发现一根有异常情况。确认这两根后，停机检查线路，发现虽然所有柜内布线和隔离是类似的，但是通信线是后敷设的。这两根发现异常的通信线正常敷设在柜内部金属线槽内，但靠近变频器侧时没有固定好，部分松动，在进入变频器柜时离主电源电缆也比较近。于是对这两根线重新进行隔离固定。把所有的通信线都复位后重新上电测试，发现整个DP数据通信就恢复正常了。

（3）变频器的干扰还会有一个特殊情况出现。因为变频器与变频电机工作区域一般是分开的，为了让其各自稳定工作，防止过热损坏，都配置了保护功能，如果这一部分没考虑到会被干扰，也会导致意外产生。

由于电机侧到变频器柜线路比较长，温度保护的配置，一般是把热电阻作为温度检测仪表，连接的线缆，普通为三线制的屏蔽电缆。而温度控制器一般都在变频器柜内，不会单独进入自控机柜。有时候工作状况会显示不稳定，严重时直接导致变频器报故障，无法正常使用。

在一个工厂项目中，变频螺旋输送机的电机有温度保护，信号为热电阻PT100，信号直接进变频器柜内温度变送器内。同一料仓的一组3台电机，正常工作时，结果过热保护，跳停，一开始怀疑是电机问题，结果3台电机现场用专用工具测试都没有过热，也没有异常的声音。那么就是热电阻这边的问题。电阻在投用前，回路测试都是正常的。最终视线还是回到了变频器柜内的温度控制器（拥有变送功能和数字输出功能）。热电阻信号进入变送器，通过温度设定值，输出一个数字量信号0或者1给变频控制器。未启动电机，电阻值信号正常。启动电机，温度就开始变化，而且不多时间有突然升高降低的情况。实际检查线路布置，发现温度线路在变频器柜内走线时，柜内线缆较多，屏蔽层被剥除，然后与其他控制线绑扎在一起敷设，一直到温度变送器，温度变送器至变频器信号侧也是类似。于是，把线缆松开，按电源类型、信号类型分开。将热电阻的电缆抽出柜底余量，连带屏蔽层一起敷设、固定，效果大为改善。电机不再异常

跳停。

变频器的控制技术精度越高，对设备本身和施工技术细节要求也越高，许多不注意的小地方可能就是导致干扰或者故障产生的原因。通过施工前交底，过程检查，验收检查，仔细检查每个容易出问题的环节，才能减少此类事件带来的损失。其实辐射干扰也好，线路干扰也好，都是变频器的磁场对设备和线路产生了干扰，只是传导干扰的方式不同罢了。

4 结束语

变频器作为现代设备核心部件，有电源转换、节能减排，安全可靠的多种功能，满足大多数用户的需求，但价格较贵，技术要求高。随着变频器控制器技术不断发展，小型化，集成化，智能化，降低成本，降低散热量和故障率，会在不同领域应用越来越广泛，与普通人的生活也越来越接近。我们应以欣赏的眼光来看待变频技术进入实际生活，像变频空调、变频电梯、变频泵、变频风机等。

变频控制技术与其他技术联合起来，如PLC控制技术，变配电技术、微电子技术、信息技术等，组成我们丰富多彩的现代化、自动化的智能社会。

参考文献

[1] 姚福来，孙鹤旭，杨鹏.变频器、PLC及组态软件实用技术速成教程[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 孙锦全.变频器与PLC应用技术基本功[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3] 段苏振.变频器的选型配置与维护技术[M].北京：中国电力出版社，2010.