通用变频器在船闸电机拖动中的应用与维护研究

覃露

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443000）

在工业自动化日趋发达的今天，变频器由于具有卓越的调速、节能以及保护功能，被越来越多的电机拖动场合应用。随着系统设备不断的升级改造，枢纽船闸的电机拖动系统也基本应用了变频器，其能实现设备软启动、平滑加减速、停机和各类保护等功能，大幅地提升了船闸设备的运行效率和安全稳定。

1 通用变频器的基本概念

按照用途将变频器可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等，而通用变频器一般指PWM 型交-直-交变频器，其由主电路和控制电路组成，主电路包含整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分，其中中间直流电路又由电源再生单元、限流单元、滤波器、制动电路、电源检测电路等组成。控制电路由中央处理器（cpu）、数字信号处理器（dsp）、交直流转换电路、通信接口、信号检测、操作面板、控制电源等组成。基本电路示意图如下：

图1

2 变频器的选择

在高水头船闸中常见的运用变频器控制电动机来进行调速和启动停止的系统一般为带减速箱的人字闸门、带卷扬机的门桥式事故检修门和活动桥、长轴深井泵等，因其负载特性不同，故在变频器的选择和应用上也不尽相同，一般遵循以下几个原则。

2.1 容量选择

通用变频器的容量要依据所控制电动机的一般船闸都是一台变频器控制一台电动机，此条件下变频器容量计算公式如下所示：

式中PCN变频器额定容量（KVA），ICN变频器的额定电流(A)，PM电动机的输出功率，电动机效率（一般取0.85），电动机的功率因数（三相异步电动机一般取0.85），电动机额定电压，IM电动机工频电源时电流，K 电流波形的修正系数（PWM 型变频器一般取1.05～1.1）。

要注意的是在环境温度高、海拔高、控制高速电机以及转矩波动大有功率峰值的负载时都要适当放大一档选择变频器容量。

2.2 负载类型的选择

在变频器控制调速的电机拖动系统中，按机械负载特性一般分为恒转矩负载、恒功率负载、二次方率负载三种，在不同的转速n 下，负载的转矩T 变化趋势不同，三种方式的机械特性曲线如下。

图2 恒转矩负载

图3 二次方率负载

图4 恒功率负载

在一般船闸的人字门闸门、门桥式事故门等在运转过程中负载变化较小，所以均选择恒转矩负载型通用变频器，而长轴深井泵因其自身机械结构不允许在低频下运转，其转速不够会造成泵叶悬浮不起来托盘和泵叶损坏，因此也选择恒转矩负载型变频器。

2.3 控制方式的选择

通用变频器一般有四种控制方式即V/f 恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制。其中V/f 恒定控制和矢量控制应用范围广，应用场合较多。而V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，可以有效避免弱磁和磁饱和现象，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降，但是因为其低速时转矩输出能力低，不能保证其恒转矩特性的稳定性，其大多用于风机泵类等二次方负载。

矢量控制在电压和频率控制的基础上，加上了相位控制，同时可以根据反馈的电流结合电机参数，实时计算出转子位置并求出转速，理论上可以做到同样的电流下产生的转矩最优，从而减小电机负载变化时的瞬态过程，利用电机参数对转速进行瞬时补偿，进一步优化了控制性能。矢量控制力矩大适用于重负荷的场合及低频要保证力矩的应用，因此在船闸电机拖动中多用矢量控制，需要注意的是矢量控制一台变频器只能控制一台电动机。

3 变频器的安装

（1）安装环境。变频器的安装场所基本要求是通风、少湿、少振动、无腐蚀及无粉尘。

（2）EMC 规则。在采用变频器调速的系统中，电源侧和电机侧都会产生谐波干扰，对电网和变频器周围其他设备产生EMC 干扰，为有效地抑制电磁波的辐射和传导，将变频器EMC 影响减小到最低，采用变频器调速的系统接线非常的重要。其中控制电缆应选用屏蔽电缆，动力电缆应选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。电机电缆应独立于其它电缆走线，变频器和电机的距离应该尽量地短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源，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。变频器控制柜内器件要确保接地良好，要注意的是连接到变频器的控制设备要与其共地，最好采用像金属网类似的在高频时阻抗较低的扁平导体。电动机的电缆地线也应该直接连接到相应变频器的接地端子。此外一般应该在变频器输入输出端加装电抗器，以抑制变频器对电网及周边设备的干扰，同时抑制输出高频谐波，减少电机轴承的感应电压，对电机轴承起到保护作用。

4 变频器的设置

（1）加减速时间设置。为实现系统平稳的启停，用低频启动降低启动电流的同时减小对系统机械设备的冲击，所以变频器调速的加速是增加输出频率来实现加速的，因此需要设置一个加速时间，即从启动频率加速到额定频率的时间，加速过程中必须处理好加速快慢和拖动系统惯性的矛盾，从提高生产率的角度加速时间越短越好，但由于拖动系统的惯性，频率上升太快，电动机的转子转速将跟不上同步转速的上升，转差增大，引起加速电流增大，可能超过限值而引起变频器跳闸，因此应在防止加速电流过大的前提下尽可能缩短加速过程。减速过程中，频率降低瞬间，电动机转子转速大于同步转速，转差增大，电动机处于发电状态，也成了再生制动状态，变频器直流电路的泵升电压升高，需要制动能耗电阻消耗放电，增大引起再生直流和泵升电压升高，超过限值后导致变频器过电流或者过电压故障跳闸，因此减速时间设置也应该在防止减速电流过大和泵升电压过高的前提下尽可能缩短。一般高水头船闸电机拖动系统中变频器的加速时间均设置为3s，减速时间为1.5s，可以较好地实现平滑加速减速过程。

（2）电机参数整定。变频器矢量控制系统的性能受电机参数影响很大，如果电机参数不准确就将不能获得优良的调速性能，影响变频器、电机负载及现场生产。因此使用正确的电机参数和进行参数的自整定是应用矢量控制的基础。电机自整定需要注意的是，一定要接电动机，且电机没有温升，要正确输入电机铭牌参数到变频器。如果变频器输出侧接有接触器，在做自整定之前，一定要将接触器吸合。

（3）其他设置。其他设置包括给定通道设置、宏配置、电机热保护电流值、高速频率值、低速频率值等等，都根据实际情况进行配置。

（4）系统调试。在变频器参数都设置完成后，还应带负载进行实验，主要观察电机旋转方向是否正确，加减速时电流是否相对平稳，直流电流是否过高，加减速时间是否设置正确，设备的动态响应是否达到要求，变频器的运行电流是否在要求范围内，容量选择是否正确。

5 变频器的日常维护保养与典型故障处理

5.1 日常维护

变频器的日常维护主要是尽早发现异常现象、排除隐患、清洁除尘、紧固检查等，包括不停止运行和不拆卸盖板进行通电和运行实验，通过目测运行状况是否正常，包括显示面板是否正常，有无报错，风扇是否运转正常，有无振动。观察相关电缆是否过热、变色、变形、异味等异常现象。观察整个控制系统外观清洁，是否积尘，各链接器件、电缆是否有松动等现场。

5.2 定期检查测量

定期检查主要是日常检查难以发现问题的地方，切断电源、停止运行后进行，需要注意的是通用变频器断电后主回路滤波电容上仍有较高的充电电压，需要放电5—10 分钟，等待充电指示灯熄灭后进行。典型的检查项目一般包括，内部清洁、电容器检查、控制电路板检查、紧固检查、主回路控制回路绝缘电阻测定等。

5.3 典型故障处理

过流保护故障。一般原因有以下几种，一是电动机遇到冲击负载或者传动机构卡阻，二是变频器输出侧短路，三是变频器加速或者减速时间设置太短，四是变频器本身故障，处理方法为逐项检查即可。

过电压故障。即直流母线电压过高，常见原因一是电源电压过高，二是制动力矩不足，三是减速时间设置太短，四是电动机突然甩负载，五是机械负载惯性过大等。

欠电压故障。一般原因为电源电压偏低、缺相、同一系统中有大启动电流负载启动，或者变频器内部故障。

变频器过热故障。一般原因为负载过大、环境温度过高、散热不正常、内部热传感器故障。

过载故障。一般原因为负载过大、容量偏小、热保护值设定偏小等原因。

6 结语

不同品牌的变频器选型和设置方式及数值都各不相同，同时变频器在现场实际运行中受到的影响因数不尽相同，故障原因也千差万别，同样的故障可能由不同原因引起，同样的原因可能引起不同的故障，所以在船闸电机拖动中应该针对实际应用场景，负载特性，调速需求等具体分析选择，并在日常维护保养中严格按照品牌的说明书进行，才能真正地把通用变频器用好，且保证电机拖动系统安全稳定。