1 引言
隨著通用變頻器市場的日益繁榮，不包括OEM進口變頻器，中國通用變頻器年用量超過25億元人民幣，變頻器及其附屬設備的安裝、調試、日常維護及維修工作量劇增，給用戶造成重大直接和間接損失。本文就針對造成以上問題的原因，根據(jù)大量用戶的實際應用情況，從應用環(huán)境、電磁干擾與抗干擾、電網(wǎng)質量、電機絕緣等方面進行了分析，提出了一些改進的建議。
2 工作環(huán)境問題
在變頻器實際應用中，由于國內客戶除少數(shù)有專用機房外，大多為了降低成本，將變頻器直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場。工作現(xiàn)場一般是灰塵大、溫度高，在南方還有濕度大的問題。對于線纜行業(yè)還有金屬粉塵，在陶瓷、印染等行業(yè)還有腐蝕性氣體和粉塵，在煤礦等場合，還有防爆的要求等等。因此必須根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應的對策。
2.1 變頻器的安裝設計基本要求
(1) 變頻器應該安裝在控制柜內部。
(2) 變頻器最好安裝在控制柜內的中部;變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風、進風的大元件。
(3) 變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部、或者隔板、或者必須安裝的大元件等的最小間距，應該大于300mm。
柜內安裝變頻器的基本要求
(4) 如果特殊用戶在使用中需要取掉鍵盤，則變頻器面板的鍵盤孔，一定要用膠帶嚴格密封或者采用假面板替換，防止粉塵大量進入變頻器內部。
(5) 對變頻器要進行定期維護，及時清理內部的粉塵等。
(6) 其它的基本安裝、使用要求必須遵守用戶手冊上的有關說明;如有疑問請及時聯(lián)系相應廠家技術支持人員。
2.2 防塵控制柜的設計要求
在多粉塵場所，特別是多金屬粉塵、絮狀物的場所使用變頻器時，采取正確、合理的防護措施是十分必要的，防塵措施得當對保證變頻器正常工作非常重要。總體要求控制柜整體應該密封，應該通過專門設計的進風口、出風口進行通風;控制柜頂部應該有防護網(wǎng)和防護頂蓋出風口;控制柜底部應該有底板和進風口、進線孔，并且安裝防塵網(wǎng)。
(1) 控制柜的風道要設計合理，排風通暢，避免在柜內形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。
(2) 控制柜頂部出風口上面要安裝防護頂蓋，防止雜物直接落入；防護頂蓋高度要合理，不影響排風。防護頂蓋的側面出風口要安裝防護網(wǎng)，防止絮狀雜物直接落入。
(3) 如果采用控制柜頂部側面排風方式，出風口必須安裝防護網(wǎng)。
(4) 一定要確保控制柜頂部的軸流風機旋轉方向正確，向外抽風。如果風機安裝在控制柜頂部的外部，必須確保防護頂蓋與風機之間有足夠的高度；如果風機安裝在控制柜頂部的內部，安裝所需螺釘必須采用止逆彈件，防止風機脫落造成柜內元件和設備的損壞。建議在風機和柜體之間加裝塑料或者橡膠減振墊圈，可以大大減小風機震動造成的噪音。
(5) 控制柜的前、后門和其他接縫處，要采用密封墊片或者密封膠進行一定的密封處理，防止粉塵進入。
(6) 控制柜底部、側板的所有進風口、進線孔，一定要安裝防塵網(wǎng)。阻隔絮狀雜物進入。防塵網(wǎng)應該設計為可拆卸式，以方便清理、維護。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格要小，能夠有效阻擋細小絮狀物(與一般家用防蚊蠅紗窗的網(wǎng)格相仿);或者根據(jù)具體情況確定合適的網(wǎng)格尺寸。防塵網(wǎng)四周與控制柜的結合處要處理嚴密。
(7) 對控制柜一定要進行定期維護，及時清理內部、外部的粉塵、絮毛等雜物。維護周期可根據(jù)具體情況而定，但應該小于2～3個月;對于粉塵嚴重的場所，建議維護周期在1個月左右。
防塵控制柜的安裝要求
2.3 防潮濕霉變的控制柜的設計要求
多數(shù)變頻器廠家內部的印制板、金屬結構件均未進行防潮濕霉變的特殊處理，如果變頻器長期處于這種狀態(tài)，金屬結構件容易產(chǎn)生銹蝕，對于導電銅排在高溫運行情況下，更加劇了銹蝕的過程。對于微機控制板和驅動電源板上的細小銅質導線，由于銹蝕將造成損壞，因此，對于應用于潮濕和和含有腐蝕性氣體的場合，必須對于使用變頻器的內部設計有基本要求，例如印刷電路板必須采用三防漆噴涂處理，對于結構件必須采用鍍鎳鉻等處理工藝。除此之外，還需要采取其它積極、有效、合理的防潮濕、防腐蝕氣體的措施。
(1) 控制柜可以安裝在單獨的、密閉的采用空調的機房，此方法適用控制設備較多，建立機房的成本低于柜體單獨密閉處理的場合，此時控制柜可以采用如上防塵或者一般環(huán)境設計即可。
(2) 采用獨立進風口。單獨的進風口可以設在控制柜的底部，通過獨立密閉地溝與外部干凈環(huán)境連接，此方法需要在進風口處安裝一個防塵網(wǎng)，如果地溝超過5m以上時，可以考慮加裝鼓風機。
(3) 密閉控制柜內可以加裝吸濕的干燥劑或者吸附毒性氣體的活性材料，并近期更換。
3 干擾問題
3.1 變頻器對微機控制板的干擾
在注塑機、電梯等的控制系統(tǒng)中，多采用微機或者PLC進行控制，在系統(tǒng)設計或者改造過程中，一定要注意變頻器對微機控制板的干擾問題。由于用戶自己設計的微機控制板一般工藝水平差，不符合EMC國際標準，在采用變頻器后，產(chǎn)生的傳導和輻射干擾，往往導致控制系統(tǒng)工作異常，因此需要采取必要措施。
(1) 良好的接地。電機等強電控制系統(tǒng)的接地線必須通過接地匯流排可靠接地，微機控制板的屏蔽地，最好單獨接地。對于某些干擾嚴重的場合，建議將傳感器、I/O接口屏蔽層與控制板的控制地相連[3]。
(2) 給微機控制板輸入電源加裝EMI濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等，成本低。可以有效抑制傳導干擾。另外在輻射干擾嚴重的場合，如周圍存在GSM、或者小靈通機站時，可以對微機控制板添加金屬網(wǎng)狀屏蔽罩進行屏蔽處理。
微機控制板的電源抗干擾措施
(3) 給變頻器輸入加裝EMI濾波器，可以有效抑制變頻器對電網(wǎng)的傳導干擾，加裝輸入交流和直流電抗器L1、L2，可以提高功率因數(shù)，減小諧波污染，綜合效果好。在某些電機與變頻器之間距離超過100m的場合，需要在變頻器側添加交流輸出電抗器L3，解決因為輸出導線對地分布參數(shù)造成的漏電流保護和減少對外部的輻射干擾。一個行之有效的方法就是采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，并將鋼管外殼或者電纜屏蔽層與大地可靠連接。請注意，在不添加交流輸出電抗器L3時，如果采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，增大了輸出對地的分布電容，容易出現(xiàn)過流。當然在實際中一般只采取其中的一種或者幾種方法。
減小變頻器對外部控制設備的干擾措施
(4) 對模擬傳感器檢測輸入和模擬控制信號進行電氣屏蔽和隔離。在變頻器組成的控制系統(tǒng)設計過程中，建議盡量不要采用模擬控制，特別是控制距離大于1M，跨控制柜安裝的情況下。因為變頻器一般都有多段速設定、開關頻率量輸入輸出，可以滿足要求。如果非要用模擬量控制時，建議一定采用屏蔽電纜，并在傳感器側或者變頻器側實現(xiàn)遠端一點接地。如果干擾仍舊嚴重，需要實現(xiàn)DC/DC隔離措施。可以采用標準的DC/DC模塊，或者采用V/F轉換，光藕隔離再采用頻率設定輸入的方法。
3.2 變頻器本身抗干擾問題
當變頻器的供電系統(tǒng)附近，存在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源或者采用滑環(huán)供電的場合，變頻器本身容易因為干擾而出現(xiàn)保護。建議用戶采用如下措施：
(1) 在變頻器輸入側添加電感和電容，構成LC濾波網(wǎng)絡。
(2) 變頻器的電源線直接從變壓器側供電。
(3) 在條件許可的情況下，可以采用單獨的變壓器。
(4) 在采用外部開關量控制端子控制時，連接線路較長時，建議采用屏蔽電纜。當控制線路與主回路電源均在地溝中埋設時，除控制線必須采用屏蔽電纜外，主電路線路必須采用鋼管屏蔽穿線，減小彼此干擾，防止變頻器的誤動作。
(5) 在采用外部模擬量控制端子控制時，如果連接線路在1M以內，采用屏蔽電纜連接，并實施變頻器側一點接地即可;如果線路較長，現(xiàn)場干擾嚴重的場合，建議在變頻器側加裝DC/DC隔離模塊或者采用經(jīng)過V/F轉換，采用頻率指令給定模式進行控制。
(6) 在采用外部通信控制端子控制時，建議采用屏蔽雙絞線，并將變頻器側的屏蔽層接地(PE)，如果干擾非常嚴重，建議將屏蔽層接控制電源地(GND)。對于RS232通信方式，注意控制線路盡量不要超過15m，如果要加長，必須隨之降低通信波特率，在100m左右時，能夠正常通信的波特率小于600bps。對于RS485通信，還必須考慮終端匹配電阻等。對于采用現(xiàn)場總線的高速控制系統(tǒng)，通信電纜必須采用專用電纜，并采用多點接地的方式，才能夠提高可靠性。
4 電網(wǎng)質量問題
在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合，電壓經(jīng)常出現(xiàn)閃變;在一個車間中，有幾百臺變頻器等容性整流負載在工作時，電網(wǎng)的諧波非常大，對于電網(wǎng)質量有很嚴重的污染，對設備本身也有相當?shù)钠茐淖饔茫p則不能夠連續(xù)正常運行，重則造成設備輸入回路的損壞。可以采取以下的措施：
集中整流的直流共母線供電方式
(1) 在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源等場合建議用戶增加無功靜補裝置，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和質量。
(2) 在變頻器比較集中的車間，建議采用集中整流，直流共母線供電方式。建議用戶采用12脈沖整流模式。優(yōu)點是，諧波小、節(jié)能，特別適用于頻繁起制動、電動運行與發(fā)電運行同時進行的場合。
(3) 變頻器輸入側加裝無源LC濾波器，減小輸入諧波，提高功率因數(shù)，成本較低，可靠性高，效果好。
(4) 變頻器輸入側加裝有源PFC裝置，效果最好，但成本較高。
5 電機的漏電、軸電壓與軸承電流問題
變頻器驅動感應電機的電機模型，Csf為定子與機殼之間的等效電容，Csr為定子與轉子之間的等效電容，Crf為轉子與機殼之間的等效電容，Rb為軸承對軸的電阻;Cb和Zb為軸承油膜的電容和非線性阻抗。
高頻PWM脈沖輸入下，電機內分布電容的電壓耦合作用構成系統(tǒng)共模回路，從而引起對地漏電流、軸電壓與軸承電流問題。
變頻器驅動感應電機的電機模型
漏電流主要是PWM三相供電電壓極其瞬時不平衡電壓與大地之間通過Csf產(chǎn)生。其大小與PWM的dv/dt大小與開關頻率大小有關，其直接結果將導致帶有漏電保護裝置動作。另外，對于舊式電機，由于其絕緣材料差，又經(jīng)過長期運行老化，有些在經(jīng)過變頻改造后造成絕緣損壞。因此，建議在改造前，必須進行絕緣的測試。對于新的變頻電機的絕緣，要求要比標準電機高出一個等級。
軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、EDM(Electric Discharge Machining)電流和環(huán)路電流。軸電壓的大小不僅與電機內各部分耦合電容參數(shù)有關，且與脈沖電壓上升時間和幅值有關。dv/dt電流主要與PWM的上升時間tr有關，tr越小，dv/dt電流的幅值越大;逆變器載波頻率越高，軸承電流中的dv/dt電流成分越多。EDM電流出現(xiàn)存在一定的偶然性，只有當軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內部發(fā)生接觸時，存儲在電子轉子對地電容Crf上的電荷(1/2 Crf×Urf)通過軸承等效回路Rb、Cb和Zb對地進行火花式放電，造成軸承光潔度下降，降低使用壽命，嚴重地造成直接損壞。損壞程度主要取決于軸電壓和存儲在電子轉子對地電容Crf的大小。
環(huán)路電流發(fā)生在電網(wǎng)變壓器地線、變頻器地線、電機地線及電機負載與大地地線之間的回路(如水泵類負載)中。環(huán)路電流主要造成傳導干擾和地線干擾，對變頻器和電機影響不大。避免或者減小環(huán)流的方法就是盡可能減小地線回路的阻抗。由于變頻器接地線(PE變頻器)一般與電機接地線(PE電機1)連接在一個點，因此，必須盡可能加粗電機接地電纜線徑，減小兩者之間的電阻，同時變頻器與電源之間的地線采用地線銅母排或者專用接地電纜，保證良好接地。對于潛水深井泵這樣的負載，接地阻抗ZE電機2可能小于ZE變壓器與ZE變頻器之和，容易形成地環(huán)流，建議斷開ZE變頻器，抗干擾效果好。
在變頻器輸出端串由電感、RC組成的正弦波濾波器是抑制軸電壓與軸承電流的有效途徑。目前有多家廠家可提供標準濾波器。
6 結束語
本文從變頻器實際應用系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題出發(fā)，從應用環(huán)境、電磁兼容、電網(wǎng)質量、電機絕緣等方面，有針對性地提出了一些解決問題的方法及改進的建議，對于變頻器在實際工程中的應用有一定的參考價值。
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