变频器及其供给的电机

文摘：本文通过对变频器的控制特点及电机的特性分析，研究了变频器对电机的影响，并从电压峰值、噪音等方面对变频器控制电机这一系统进行了全面的分析，最后提出了解决问题的几项具体措施。 Abstract: This paper will analyses the inverter controlling characteristics and the property of motors, investigate the affect of inverters on motors, also the system of inverters controlling motors on voltage spike, noise etc., and finally put forward the measures to solve related downsides. 关键词：电机，变频器，故障，解决方案，结论 Keywords: motor, inverter, use, failure, solution, conclusion 1 变频器日益增长的用量 20世纪80年代，人们长期以来渴望通过电子技术调节交流（AC）感应电机的速度已成为现实。称之为调速驱动装置，变频驱动装置或简单的变频器，由于自身的许多优点，迅速占领了市场。这种电子控制装置的市场销售量一直以每年超过30%的速度攀升。 设备制造商和成套设备工程师很快瞄准这些设备易于将机械设备的速度与过程需求及变量相匹配的优点。现代驱动装置能够控制起动电流，保持精确的速度设定，换速快捷，控制反转和制动迅速，所有这些优点使各类机械设备效率提高，改善了质量和适应性，而且故障率很低。在适当的时间，适当的地方，多台机器适当数量的部件可以很好地协调工作。 另一个突出优点就是潜在的节能优势。可变力矩载荷，如风扇和泵，通过机械手段改变其输出，现在仅需要增加一台变频器就可以调节电机速度，减少能量输入25—50%。这种驱动装置还可以在系统处于调节状态时，连续改变其速度以保持预期状态。 现在，变频器的用途日益扩大，几乎可用于所有的加工机械设备：金属制品机械，木工机械，化工机械，水处理系统，运输机械，加热系统，制冷系统，冷藏装置，起重机械及工、商业过程。由于许多明显的优点，变频驱动装置的用量数以百万计，而且这一数目还会有大的增长。 2 变频器如何影响电机 每一个突出的技术优点都会有一些缺点。早期的变频器会引起电机温度升高许多，一旦不匹配很容易烧毁电机；由于新的晶体管装置和软件设法将这些缺陷最小化，而且特别强调电机的绝缘系统，现在，可以设计出专门采用这些新型电源运转的电机。 新的隔离双栅极晶体管（IGBT）脉宽调置（PWM）变频器能够输出很高的开关频率，电压改变迅速，产生瞬间电压峰值（可能会击穿电机绝缘材料上的针孔，引起短路，过早引发电机故障），因此，绝缘系统必须完善以防这类不期而遇而且耗费较大的故障出现。其它问题包括电机噪音增大，轴承故障率高。下面的部分将强调这些事项，并介绍如何通过正确选择驱动装置和应用工程理论使这些问题最小化。 3 建议方案 3.1 变频器峰值阻抗 德国Baldor公司生产的变频器峰值阻抗（ISR）电线比标准电线的电阻高了100倍，可以抑制迅速升高的电压峰值和频率迅速升高的变频器脉冲。Baldor公司已将此先进技术应用于所有的变频器驱动电机、矢量驱动电机及所有20马力以上标准电机。 3.2 引线长度 最佳安装方案是将变频器和电机放置得非常靠近。一般地说，如果离电源不超过15英尺，那么，反射波电压的影响没有多大。但是，随着距离的增加，电机端的电压就会升高，而且大于绝缘系统的设计电压。有一台设备用一个变频器驱动30台电机。虽然第一台电机的电压为460伏，但最后一台距离1000英尺，电压高达2000伏。解决这个问题的最好办法就是首先不要产生距离，尽可能使变频器和电机靠近。 3.3 负载阻抗/低通滤波器 有些具体应用中需要将电机控制系统分开一段距离。一些工厂里，电机可以在恶劣环境中工作，但控制系统不能，因此，必须使电机控制中心（MCC）与电机隔离一段距离。输送装置经常用一个变频器来控制沿着输送装置安放的多个电机，这种情况下，输送装置的长度使电机与控制系统间产生了距离。由于快速功率晶体管开关频率和反射波反而会影响电机绕组绝缘装置，所以这样的长距离可能引起电机的故障。 大多数自动化设备制造商都选隔离双栅极晶体管为电源装置，因为其开关时间快，在开关频率超出听觉频率范围时，功率消耗量小。现在的隔离双栅极晶体管开关时间可以达到100—200毫微秒。用于DC总线电压约650伏的480伏控制系统时，电压随时间的变化率（dv/dt）超过7500伏/微妙。这么高的dv/dt电压峰值会使与之相连的电机绕组电压超过绝缘极限，产生故障。 反射电压波形是开关时间和从控制系统到电机的电缆长度的函数。电缆的用途是传输线路，两端的阻抗不匹配，这就会引起高频脉宽调置波形上的前沿部分沿着其来的方向反射回去。这些波互相碰撞时，前沿侧的波形叠加起来，引起所说的“电压过击”。在一个交流480伏的系统中，在电机端发现电压峰值1200—1500伏或更高是很平常的事。更高电压的驱动装置（575/600）就可以演示出这些电压级甚至更高水平。 3.3.1 负载电抗器 这些负载电抗器增大了变频器与电机间电线的电感，这样就放慢了电压的升高速度，减小了电机绝缘系统的压力。电抗器一般用其阻抗值来确定规格，它对于抑制电压和电流的增大颇为有益，在变频器输出端发生短路时还会对变频器起到保护作用，抑制电流突增可以使变频器在电流超过变压器额定值之前关闭。 如过使用电抗器，则不论是单台还是多台电机，电抗器都应靠近变频器。 3.3.2低通滤波器 低通滤波器会在变频器与电机间形成电感、电容和电阻的综合效果，而且在行程很长的情况下（50至几千英尺）可以用来控制反射波电压。多数情况下，低通滤波器应调整到电线的自然频率。 3.4 规格过小/大 所有的变频器都要比纯正弦波使电机产生的热量多。老式的六级变频器更是如此。脉宽调置（PWM）变频器产生的热量较少，多数情况下，允许功率接近的匹配。但是，有些变频器供电的电机，即使是60赫兹，都不能在满载情况下运行。如果电机温升为F级或服务系数为1.0，则应特别注意。要么减小这些电机的载荷，要么升入设定值更高的一级。用于变频器的电机应当采取F或H级绝缘，但在满载时，运行仅采用B级升压，服务系数为1.15。如果周围环境温度较高或工作位置海拔高（大于3300英尺），也要减小额定值。 3.5 轴接地保护 转子中的变频器感应电压可使轴承的寿命减少约80%或更高。绝缘轴承可以强制转子电压通过负载导出，但还是对轴承有潜在的损害。 3.6 噪音与开关频率 变频器供电的电机比线路直接供电的电机产生更大的可听见噪音。要减小这一影响，就要采用隔离双栅极晶体管变频器以使噪音的频率升到比人类听觉高的范围内，但这样做却引起了绝缘系统的故障。这二者是相互牵制，相反相称。最佳开关频率就是降低噪音的可能的最小设定值，其范围为2—5千赫，尽量避免8—10千赫的频率。如若难以办到，应采用电抗器，低通滤波器，并考虑轴接地。 4 可靠性设计 4.1 应用工程学 要装配成功的设备，关键就是要尽可能多地了解具体的应用情况以便正确选定电机和控制系统的规格。 （1）了解电机驱动的载荷为那一类： 可变力矩 恒定力矩 恒定马力 风扇 输送装置 机床 离心泵 搅拌机 离心机 鼓风机 电梯 起重机 研磨机 压缩机 （2）了解总的速度范围：2至1，3至1，10至1，100至1...... （3）了解总的引线长度—电机与控制系统之间的总电线：短（不足5英尺），中、长（超过200英尺）。如故可能的话，改变地板平面，使电线长度变短。 （4）了解环境：是否干净，凉爽，干燥，无灰尘？也许都不。重要事项包括海拔，环境温度，湿度，冲洗，化工，爆炸液体或尘埃等。 这些因素对于正确选用变频器、电机、连线、附件及保护装置都是非常重要的，同样也非常有益于首次使用和以后的可靠性。 4.2 选择合适的电机 正确选择电机以便与具体应用需求相匹配。 4.3 调节变频器 变频器工作极限值应该只能根据具体工作将实际特点编入程序。切勿在保护范围之外的工作，以免对电机或变频器造成损坏，产生不必要的故障。 4.4 最小和最大速度极限 驱动装置动作不得比要求的慢。满载时低速运行，电机可能会过热。变频器应有可编程设定点，以防低于该极限值。 要特别注意60赫兹以上高速运行的情况，特别是力矩可变的载荷。超速仅25%就会使驱动系统的负荷增大到二倍，马上就会出现问题。只对所需速度编程，并将其余的锁定在外。 4.5 开关频率 隔离双栅极晶体管（IGBT）变频器发明的目的就是要提高脉宽调置（PWM）驱动装置每秒钟的脉冲数，原因就是要更近似地模拟一个正弦波，减少电机的发热和噪音。但是，一些装置的开关频率最高可以设定到20,000赫兹，这样一来，噪音就高于人类的听觉范围，也使得线圈电压脉冲达到正常工作时（2,000赫兹）的10倍，绝缘装置发生故障的时间缩短为正常值的1/10。通常情况下，以最低频率试着起动设置，然后逐步增加直止噪音不再成问题。 4.6 加速度/减速度 应当避免猛烈的起动和应急制动。最大电压下的最大电流对于电机或变频器的预期寿命没有多大意义。软起动和制动可使设备寿命延长。 4.7 电机电流编程 大多数现代变频器都有内置式过载保护装置。将电机的满载电流（FLA）和空载电流（NLA）编程输入变频器，这样就可以调整过载继电器（在电机被损坏之前关闭系统）的触发点。 4.8 反向锁定在外 一些被驱动的载荷或机器不能或不允许反向运行。对基本载荷或机器方向进行编程，将相反方向锁定在外以防对整系统的破坏。 4.9 跳越频率 有时侯，当电机的速度与所驱动的载荷达到共振时，系统内部就会产生很大的噪音或振动。变频器有这样的功能，可以将这一点编出程序之外，为的是输出可以跳过这一频率，电机工作也不会处于这一频率点。 4.10 安装事项 （1）电机与变频器之间的距离保<