变频器在工业自动化控制中的应用

2022-02-22苏洪友

今日自动化 2022年11期

王攀，苏洪友

（深圳市德瑞斯电气技术有限公司，广东深圳 518000）

1 变频器相关内容的简要概述

1.1 变频器的主要工作原理

变频器的主要工作原理是通过使用微电子技术和变频技术，从而实现对各种设备中的电源和电压进行科学合理化管控，并且根据在实际生产过程中的各项要求来适当调整电源的输出频率，从而减少对能源的消耗，提高对生产速度的管控力度。同时，变频器还可以对整个设备运行中的电流和电压数值进行实时监控，当荷载数值过高时，变频器会立即切断整个工作电路，避免对设备造成影响，来保证自动化设备运行安全。

1.2 变频器的主要组成

变频器主要由4部分构成，分别是整流单元、控制器、高容量电容以及逆变器。每个组成结构分别发挥着不同的功能，而通过4个组成部分共同实现交流整流过程。在整个变频器的装置中，一般是由二极管整流器来进行整流。当前最常见的变频器可分为经济型变频器、插件式通用型变频器和大功率电流矢量型变频器。

1.3 变频器的功能概述

1.3.1 减少对能源的消耗

在当前工业企业的日常生产过程中，可能会因为一些不可控制的因素而出现断电或者电流降低的情况，如果不及时采取措施解决，将会影响整个生产效率，最终影响了企业的经济效益。当前在工业自动化生产过程中，绝大多数企业使用的是具有驱动备用容量的自动化设备，从而能够当工作线路中的电压无法提供动能时，自动化设备就会自动调节运行模式，降低运行速度，降低对能源的消耗。一般是通过调节入门档板的开度来降低对能源的消耗。但是在开合挡板的过程中也会消耗能源[1]，进一步增加了企业的生产成本。此时可以通过应用变频器来快速读取系统中的流量和转速，从而根据自动化设备的运行情况来调整工作线路中的电流和电压数值，可以明显降低对能源的消耗。

1.3.2 减少线路中无功功率的损耗

在当前自动化设备的日常运行过程中，经常会出现无功功率损耗的情况，增加了对能源的消耗，同时还影响了运行效率。甚至还会导致设备出现发热情况，增加短路的概率，缩短了自动化设备的使用寿命。此时可以通过采用变频器来减少无功损耗的情况，在变频器中设有滤波电容装置，能够实现功率补偿的作用，明显降低无功损耗。

1.3.3 进行自动化设备的软启动

在当前工业自动化控制过程中，通常设备在启动过程中需要极大的电流，该启动电流是额定电流的好多倍，当启动电流远远大于额定电流时，会对整个工作线路和设备产生影响。此时通过使用变频器，可以通过变频器中的软启动功能来管控启动电流，使得启动电流能够从小数值逐渐增大，接近设备自身的额定电流数值，减少整个工作电路和设备的影响，提升了设备的使用周期，减少了设备维修的费用。

2 变频器在工业自动化控制过程中的主要应用

2.1 科学合理选择变频器的防护等级

在工业自动化控制过程中使用变频器，首先是要科学合理选择出变频器的防护等级，这样才能使得变频器能够在短时间内快速运行。一般防护等级要与自动化设备的运行环境进行匹配与适应，也就是需要考虑环境中的温度、湿度、酸碱度、腐蚀性气体以及各种粉尘等，并根据这些因素来选择出具体的防护等级，从而能够提高变频器的使用周期，保证变频器运行安全。当前常见的防护等级主要分为了四大类。①敞开式，IP00型。变频器不含机箱，可以摆放在电控箱内或者货架上。如果企业使用变频器的数量较多时，一般选用敞开型防护等级的变频器最合适，但是其对环境要求较高，需要保证环境中的温度、湿度以及酸碱度等条件适宜。②封闭式IP20型。该种防护类型的变频器可以应用在日常生活中，对环境要求相对较低，可以运用在一些有少量灰尘、温度和湿度的环境中[2]。③密封式IP45型。该种防护类型的变频器主要应用在一些环境较差的工业生产中。④密闭式IP65型。可以应用在一些环境条件非常差以及含有腐蚀性气体的工业生产中。

2.2 科学合理确定变频器的功率

工业企业在选用变频器过程中，既需要考虑变频器的防护等级，同时还需要考虑变频器的功率。变频器的效率直接与自动化设备的生产效率有着很大关系，因此需要选择适合的变频器的功率数值。再选择变频器功率时需要从5个方面来考虑。

（1）需要保证变频器功率与自动化设备中电机功率相匹配，这样才能够保证变频器运转状态的稳定。

（2）在工业自动化控制中，无法保持变频器与电动机设备功率相近时，需要保证二者功率能够最大接近，而且一般是变频器的功率较高。

（3）如果设备运行中启动次数较多时，此时需要提高变频器功率的等级，这样即使启动次数较多时，也不会影响变频器的运行。

（4）在经过测试后发现自动化设备的功率数值相对较大时，可以选用功率较小的变频器，但是在此过程中要保证变频器瞬时峰值电流不会导致过电流保护动作的出现。

（5）在一些高温高压情况下，需要选用功率等级高于电机功率等级的变频器。

2.3 科学合理确定变频器的容量范围

在选择变频器容量过程中，首先要得变频器容量能够贴合设备的额定功率。一般是需要保证变频器的容量大于等于电机的额定功率，这样才能够保证自动化设备的稳定运行。然而在实际选择过程中，二者之间的功率数值相差较小，因此需要根据电机在运行过程中的实际功率来选择变频器的容量，这样可以保证选出的变频器容量的合理性，这样可控制企业的成本消耗。如果自动化设备是属于轻负载类设备，而选择变频器容量过程中，变频器电流一般是按照IM=（1.05～1.1）IN（IN为电动机的额定电流，而1.05及1.1为安全系数）的计算公式来进行选择。

3 变频器在工业自动化控制过程中应用的注意事项

随着电子技术的飞速发展，进一步提高了变频技术的水平，当前市场中变频器的应用范围在逐渐扩大，类型逐渐增多，而变频器的价格逐渐下降，变频器的各项性能在逐渐提高，使用寿命长，便于维护。与此同时，当前一些变频技术逐渐应用在工业自动化控制过程中，能够明显降低对能源的消耗，并提高生产效率和生产质量。但是在当前变频器使用过程中还经常会出现一些无法散热、谐波电流产生以及长距离输送而增加了能源消耗的问题，严重制约着工业自动化的进一步发展，同时也影响了企业的经济效益[3]。因此在使用变频器过程中，工作人员要提前学习并掌握使用变频器的注意事项，从而能够在后期使用过程中最大化避免因使用不合理而增加的运行成本，保证变频器能够发挥出最大作用，减少对能源的消耗，并保证自动化设备的稳定运行。

3.1 重视变频器自身的散热问题

在使用变频器过程中，一定要加大对变频器散热的重视力度。变频器散热的好坏直接影响着整个变频器的运行安全。变频器对散热要求较高，如果变频器不能及时散热，就会导致变频器自身温度过高，极易出现故障，同时还影响了变频器的使用寿命。变频器内部一般设有冷却风扇，为了提高散热效果需要将变频器按照竖直方向来进行安装，这样使得外界环境中的空气能够由下到上流通，保证空气的循环效率，促使变频器能够及时散热。如果在生产过程中安装了多台变频器，此时需要按照水平方向来安装变频器，这样能够避免变频器在散热过程中的干扰。此外，在使用变频器过程中，工作人员应该定期巡检变频器中的冷却风扇，保证冷却风扇能够稳定运行，同时还要管控好冷却风扇的运行温度，避免因运行温度过高而影响了散热效率。

3.2 抑制谐波电流的产生

在变频器运行过程中，一般采用脉宽调制的控制方式，这样会导致变频器运行过程中经常会在电源的两侧区域中产生较多的谐波电流，进一步影响了电流和电压的波形，同时影响了其他设备的稳定运行。因此需要在变频器输入侧加设滤波电抗器[4]，能够明显降低谐波量，还可以纠正变频器的接地方法，从而提高整个变频器控制系统的灵敏性，降低噪声。在变频器接地方法中，一般需要保证接地电阻的数值相对较小，而接地导线截面积应该≥2 mm，长度应控制在20 m 以内，这样才能够明显抑制谐波电流的产生。

3.3 及对变频器采取长距离的补偿措施

在使用变频器时，输出的电压是按照矩形脉冲的形式，产生的du/dt 的数值相对较大。而在电缆中一般会存在电抗值（Z）和对地电容（C），从而导致变频器中会产生过电压的情况。而当前变频器的输出过电压的计算公式是U=ZCdu/dr，根据公式就可以看出，当自动化设备电缆长度越长时，进一步会增加电缆中的电抗值和对地电容，最终导致变频器中出现了过电压的情况。如果自动化设备中采用的电缆是屏蔽式电缆，将会进一步加大过电压的情况。因此就要及时采取解决措施来降低变频器产生的过电压情况。其中，如果变频器的电缆长度超过50 m 时，就需要采取补偿措施，一般可以在变频器的输入侧区域中加设电抗器，从而降低过电压情况的发生，此时就可以延长变频器的输出距离。在实际设计过程中，一般需要根据所选择的变频器类型和实际电缆的长度来进行针对性设计。

3.4 提高变频器与周边接触器的配合力度

大多数变频器接线类型的区别主要是在接触器的连接上，一般连接在变频器的进线侧和出现侧区域中，如图1所示。当发生故障时，接触点会自动断开接触线，进一步起到保护变频器的作用。如果是按照第一种类型的接线形式，可以应用在一些起重类设备中，而使得自动化设备长期处于在电磁制动状态或者发电状态，进一步会提高变频器直流母线中的电压数值。此时变频器会通过制动电阻来消耗多余能量。但是在实际过程中，如果变频器母线中电压是在极短时间内快速增加，就会导致变频器无法在极短时间内消耗大量能量，导致变频器中的稳压储能电容被击穿，造成安全事故发生。因而，如果在变频器接线过程中使用了接触器，需要保证接触器控制回路中开启和停止操作是相对独立运行的，不能同时使用。接触器的辅助触点来控制变频器的启动按钮[5]，否则会导致变频器中储能电容出现多次充放电的情况，最终缩短了变频器的使用寿命。因此具体的操作步骤是首先通电主回路，接着是变频器待机状态，在通过继电器的长开触点来进一步控制变频器中的电源通断情况，这样能够保证电频器运行安全，同时不会影响电容器的使用寿命和性能。