变频器控制原理图的设计

刘玥心 吴桐

摘 要：十一五规划建议提出，到2020年，中国要实现GDP翻两番，能源消费将进一步增加。我国迫切需要构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系。建设节约型社会是今后发展的一项重要内容。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。从而使有效地利用能源、节约能源是建设节约型社会的具体体现。在2003年的中国电力消耗中，60-70%为动力电，而在总容量为5.8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8 亿千瓦。而其运行效率比国外低15-30%。按近几年全国的经济发展状况，目前的实际装机容量远远大于此数据。因此对电动机进行节能改造，潜力巨大。要建设节约型社会，大力推广变频调速技术是实现这一目标的必要手段，它也是交流电动机节能改造的工作重点。

关键词：变频器；能源

随着现代電力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制己成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数（单元级联多电平逆变器功率因素可以达到 95%以上），以及优异的调速和启动制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，开关频率低，电压和电流谐波大，对电网和电机都有影响。随着TGBT，1GCT，SGCT等电力电子元器件的开发，相应的控制技术的发展和这些电力电子器件的高度集成化，使得变频器在工业中得到了更广泛的应用。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。

不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。作为节能目的，变频器广泛应用于电力、冶金、石油、化工、市政、中央空调、水处理等行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器。研究显示，仅电力行业，2003年的变频器市场规模就达到了2.5亿元。因此，变频器的节能应用前景非常广阔。近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高—低一高型；根据有无中间直流环节来分，可以分为交一交变频器和交—直一交变频器，在交—直一交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。

高压变频器正向着高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压和低 dv/dt 等方向发展。电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备，单元级联多电平PWM电压源型变频器在输入输出谐波、效率和输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用前景。对于轧机，卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合，双PWM 结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用。

由于多电平技术在高压变频方面应用较多，那么多电平技术在此方面的应用可以代表多电平技术目前在高压大功率领域的应用现状。近年来高电压大容量的变频器越来越受到重视，目前世界上的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构，而是限于采用目前电压等级的功率器件，如何面对高压使用条件的要求，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此其主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。当然在性能指标及价格上也各有差异。如美国罗宾康（ROBICON）公司生产的完美无谐波变频器；洛克韦尔（AB）公司生产的Bulletin1557 和 Power Flex7000 系列变频器，德国西门子公司生产的SIMOVERTMV 中压变频器；瑞典ABB 公司生产的 ACS1000 系列变频器；意大利ANSALDO公司生产的 SILCOVERT TH 变频器以及日本三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内北京的凯奇、先行、利德华福公司和成都佳灵公司生产的高压变频器等。

一、变频器控制原理图的设计

1）首先确认变频器的安装环境；I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

II.环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

III.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。

IV.振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

V.电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

2）变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；

I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰发射源。

II.控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

IV.与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。

3）变频器控制原理图；

I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。

参考文献

[1]胡崇岳.现代交流调速技术.北京：机械工业出版社，1998：33-38

[2]薄保中，刘卫国，罗兵.单元串联多电平逆变器 PWM 方法的分析与研究 [J]，电气传动，2005，34（1）：P77-79。

（作者单位：齐齐哈尔工程学院）