變頻器可靠運行的四大要素

對于變頻器這種當下最為流行的電氣控制裝置，做為一種精密電子工控裝置，要想使變頻器長時間平穩地正常運行，身為專業技術人員的我們，則還需要在變頻器安裝或運行前，從四個直接影響變頻器運行的環境要素上著手，切實搞好準備工作。

一、物理環境

①溫度因素

溫度對變頻器內部電子元器件的壽命以及可靠性的影響巨大。在運行溫度較高的環境下使用變頻器時，必須采取額外的冷卻降溫措施，用以保證環境溫度穩定在變頻器使用手冊要求的范圍之內（－10～+40/45℃）。在電控箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并且嚴禁把發熱元件緊靠變頻器底部安裝！此外，在使用過程中還應定期對變頻器自帶冷卻風扇進行檢查和保潔工作。

②濕度因素

對于此種因素的危害，相信廣大同行都能明白——在環境濕度大于90%時，變頻器內部的器件絕緣性會變差，從而導致變頻器發生故障。因此必要時在變頻器內放入干燥劑則成為必須的除潮手段。

③腐蝕性氣體

由于腐蝕性氣體對變頻器內部PCB板、塑料制品外殼等的電氣絕緣性能有極大的破壞作用，故在此種環境下使用變頻器應按要求采用符合安全規程要求的密封外殼。

④振動和沖擊

這兩種會引起變頻器發生電氣接觸不良、元器件開焊的物理現象，對變頻器的正常使用同樣影響較大，為此加強日常保養和檢修工作不容大意。

二、電氣環境

①防止電磁干擾

變頻器在工作中因為存在整流和逆變環節，此工作過程必然產生很多電磁波干擾，這些高頻電磁波對附近的儀器儀表均有一定的干擾。為此和變頻器同網絡的儀器儀表應先做好接地工作，各種電氣元件、儀器儀表之間的連線應選用帶有屏蔽層的電纜線，且必須將屏蔽層做接地處理。

②防止輸入端過電壓

雖然大多數變頻器電源輸入端具有過電壓保護功能，可如果變頻器輸入端高電壓作用時間較長，則往往會使變頻器內部相關元器件（如壓敏電阻、整流器件等）發生損壞。對于電源電壓波動頻繁且幅度較大的電源，要考慮使用穩壓設備。

三、接地

變頻器正確接地是提高系統靈敏度、抑制噪聲干擾的重要手段。變頻器接地端子G（也有標注為E）接地電阻越小越好，接地導線截面積不應低于2mm2，且長度應控制在20m以內。此外需要指出的是，變頻器信號輸入線的屏蔽層應接至G（或E）接線端子上，其另一端絕不能接于地端，否則會引起信號變化波動，造成系統發生振蕩。

四、防雷

在變頻器中一般都設有雷電吸收、泄放回路，用以防止瞬間的雷電侵入造成變頻器損壞。無奈在實際運行過程中，尤其是變頻器電源線為架空引入的情況下，單純依賴變頻器內部防雷回路是遠遠不夠的。為此在雷電活躍區，并且變頻器電源為架空線引入方式的話，應在進線處裝配變頻器專用的避雷器（廠家選配件），或許按規范要求在變頻器20m的遠處預埋鍍鋅鋼管座專用接地防雷保護。

變頻器內部四大不為人知的秘密

變頻器作為當下電動機控制方面最為主流的電控設備，其擁有調速調壓精確、操控方式靈活多樣等諸多優點。雖說變頻器的使用方法已被廣大電工同行所熟悉和掌握，但其內部線路當中的秘密，大家可能就未必了解了。

誤區1、使用變頻器都能節電

變頻調速器能否實現節電，是由其負載的調速特性決定的。對于離心風機、離心水泵這類負載，轉矩與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比。只要原來采用閥門控制流量，且不是滿負荷工作，改為調速運行，均能實現節電。當轉速下降為原來的80%時，功率只有原來的51.2%。可見，變頻調速器在這類負載中的應用，節電效果最為明顯。對于羅茨風機這類負載，轉矩與轉速的大小無關，即恒轉矩負載。若原來采用放風閥放走多余風量的方法調節風量，改為調速運行，也能實現節電。當轉速下降為原來的80%時，功率為原來的80%。比在離心風機、離心水泵中的應用節電效果要小得多。對于恒功率負載，功率與轉速的大小無關。水泥廠恒功率負載，如配料皮帶秤，在設定流量一定的條件下，當料層厚時，皮帶速度減慢；當料層薄時，皮帶速度加快。變頻調速器在這類負載中的應用，不能節電。

與直流調速系統比較，直流電動機比交流電動機效率高、功率因數高，數字直流調速器與變頻調速器效率不相上下，甚至數字直流調速器比變頻調速器效率略高。所以，宣稱使用交流異步電動機和變頻調速器比使用直流電動機和直流調速器要節電，理論和實踐證明，這是不正確的。

誤區2、變頻器的容量選擇以電動機額定功率為依據

相對于電動機來說，變頻調速器的價格較貴，因此在保證安全可靠運行的前提下，合理地降低變頻調速器的容量就顯得十分有意義。變頻調速器的功率指的是它適用的4極交流異步電動機的功率。

由于同容量電動機，其極數不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數的增多，電動機額定電流增大。變頻調速器的容量選擇不能以電動機額定功率為依據。同時，對于原來未采用變頻器的改造項目，變頻調速器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據。這是因為，電動機的容量選擇要考慮最大負荷、富裕系數、電動機規格等因素，往往富裕量較大，工業用電動機常常在50%～60%額定負荷下運行。若以電動機額定電流為依據來選擇變頻調速器的容量，留有富裕量太大，造成經濟上的浪費，而可靠性并沒有因此得到提高。

對于鼠籠式電動機，變頻調速器的容量選擇應以變頻器的額定電流大于或等于電動機的最大正常工作電流1.1倍為原則，這樣可以最大限度地節約資金。對于重載起動、高溫環境、繞線式電動機、同步電動機等條件下，變頻調速器的容量應適當加大。對于一開始就采用變頻器的設計中，變頻器容量的選擇以電動機額定電流為依據無可厚非。這是因為此時變頻器容量不能以實際運行情況來選擇。當然，為了減少投資，在有些場合，也可先不確定變頻器的容量，等設備實際運轉一段時間后，再根據實際電流進行選擇。

誤區3、用視在功率計算無功補償節能收益

用視在功率計算無功補償節能效果。如某文獻：原系統風機工頻滿載工作時，電動機運行電流為289A，采用變頻調速時，50Hz滿載運行時的功率因數約為0.99，電流是257A，這是由于變頻器內部濾波電容產生改善功率因數的作用，其節能計算如下：

ΔS=UI=×380×（289－257）=21kVA

因此該文認為其節能效果約為單機容量的11%左右。

實際分析：S即表示視在功率，即電壓與電流的乘積，電壓相同時，視在功率節約百分比與電流節約百分比是一回事。在有電抗的電路中，視在功率只是反映了配電系統的允許最大輸出能力，而不能反映電動機實際消耗的功率。電動機實際消耗的功率只能用有功功率表示。在該例中，雖用實際電流計算，但計算的是視在功率，而不是有功功率。我們知道，電動機實際消耗的功率是由風機及其負載決定的。功率因數的提高并沒有改變風機的負載，也沒有提高風機的效率，風機實際消耗的功率沒有減少。功率因數提高后，電動機運行狀態也沒有改變，電動機定子電流并沒有減少，電動機消耗的有功功率和無功功率都沒有改變。功率因數提高的原因是變頻器內部濾波電容產生無功功率供給了電動機消耗。隨著功率因數提高，變頻器的實際輸入電流減少，從而減少了電網至變頻器之間的線損和變壓器的銅耗。同時，負荷電流減小，給變頻器供電的變壓器、開關、接觸器、導線等配電設備可以帶更多的負載。需要指出的是，如果象該例一樣不考慮線損和變壓器銅耗的節約，而考慮變頻器的損耗，變頻器在50Hz滿載運行時，不僅沒有節能，而且還費電。因此，用視在功率計算節能效果是不對的。

誤區4、變頻器輸出側不能加裝接觸器

幾乎所有變頻調速器使用說明書都指出，變頻調速器輸出側不能加裝接觸器。變頻器在運行中連接負載，會由于漏電流而使過電流保護回路動作。那么，只要在變頻調速器輸出與接觸器動作之間，加以必要的控制聯鎖，保證只有在變頻調速器無輸出時，接觸器才能動作，變頻調速器輸出側就可以加裝接觸器。這種方案對于只有1臺變頻調速器，2臺電動機（1臺電動機運行，1臺電動機備用）的場合，具有重要的意義。當運行的電動機出現故障時，可以很方便地將變頻器切換到備用電動機，經過延時使變頻器運行，實現備用電動機自動投入變頻運行。并且還可以很方便地實現2臺電動機的互為備用。

誤區5、變頻調速器在離心風機中的應用，可完全取代風機的調節閥門

采用變頻調速器對離心風機進行調速來控制風量，與調節閥門控制風量相比，具有明顯的節電效果。但在有些場合，變頻調速器不能完全取代風機的閥門，在設計中要引起特別注意。為了說明這個問題，我們先從其節電原理談起。離心風機的風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。

誤區6、通用電動機只能在其額定轉速以下采用變頻調速器降速運行

經典理論認為，通用電動機頻率上限為55Hz。這是因為當電動機轉速需要調到額定轉速以上運行時，定子頻率將增加到高于額定頻率（50Hz）。這時，若仍按恒轉矩原則控制，則定子電壓將升高超過額定電壓。那么，當調速范圍高于額定轉速時，須保持定子電壓為額定電壓不變。這時，隨著轉速/頻率的上升，磁通將減少，因此在同一定子電流下的轉矩將減小，機械特性變軟，電動機的過載能力大幅度減少。

由此可見，通用電動機頻率上限為55Hz是有前提條件的：

1、定子電壓不能超過額定電壓；

2、電動機在額定功率運行；

3、恒轉矩負載。

上述情況下，理論和試驗證明，若頻率超過55Hz，將使電動機轉矩變小，機械特性變軟，過載能力下降，鐵耗急增，發熱嚴重。

筆者認為，電動機實際運行狀況表明，通用電動機可以通過變頻調速器進行提速運行。能否變頻提速？能提多少？主要是由電動機拖動的負載來決定的。首先，要弄清負荷率是多少？其次，要搞清楚負載特性，根據負載的具體情況，進行推算。簡單分析如下：

1、事實上，對于380V通用電動機，定子電壓超過額定電壓10%長期運行是可以的，對電動機絕緣及壽命沒有影響。定子電壓提高，轉矩顯著增大，定子電流減少，繞組溫度下降。

2、電動機負荷率通常為50%～60%

一般情況下，工業用電動機通常在50%～60%額定功率下工作。經推算，電動機輸出功率為70%額定功率，定子電壓提高7%時，定子電流下降26.4%，此時，即使是恒轉矩控制，采用變頻調速器提高電動機轉速20%，定子電流也不但不會上升，反而會下降。盡管提高頻率后，電動機鐵耗急增，但由其產生的熱量與定子電流下降而減少的熱量相比甚微。因此，電動機繞組溫度也將明顯下降。

3、負載特性各種各樣

電動機拖動系統是為負載服務的，不同的負載，機械特性不同。電動機在提速后必須滿足負載機械特性的要求。經推算恒轉矩負載不同負荷率（k）時的允許最高運行頻率（fmax）與負荷率成反比，即fmax=fe/k，其中fe為額定工頻。對恒功率負載，通用電動機的允許最高工作頻率主要受電動機轉子和轉軸的機械強度限制，筆者認為一般限制在100Hz以內為宜。