王濤峰

摘要：

隨著半導體功率器件從GTO（門極可關(guān)斷晶體管）、GTR（大功率晶體管）、BJT（雙及型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）到現(xiàn)在IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使開關(guān)高頻化的PWM技術(shù)與微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)的現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)得到廣泛應用。變頻調(diào)速技術(shù)具有較好的節(jié)能效果，經(jīng)濟效益顯著，但是如何正確的使用變頻器，顯得越來越重要。

關(guān)鍵詞：

變頻調(diào)速技術(shù)；變頻器；供電電壓；諧波治理

中圖分類號：

TB

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198（2014）04-0193-01

交流電動機的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速（調(diào)整P）、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機（調(diào)整s）和變頻調(diào)速（調(diào)整f）等，其中運用最廣泛的就是變頻調(diào)速。其基本原理是利用電機轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變輸入電源頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，其在各行各業(yè)的應用日益廣泛。本文主要討論電動機供電電壓的選擇、諧波的危害及治理以及變頻器的工作及檢修環(huán)境。

1 電動機供電電壓的合理選擇

為了隔離、改善輸入電流及減小諧波，現(xiàn)在我國市場上主流的中壓變頻器都不是真正的直接變頻，在其輸入側(cè)都裝有輸入變壓器，這種配置現(xiàn)象在短時期內(nèi)不會發(fā)生根本改變。既然輸入側(cè)已經(jīng)有變壓器，則變頻器和電動機的電壓等級就沒有必要和電網(wǎng)一樣。另外電動機供電電壓等級的選擇還影響電動機、變頻器的價格，高電壓等級必將導致其的價格提高，而相對應的變頻器所利用基礎(chǔ)元器件的數(shù)量增加也會導致其可靠性的降低。因此在實際應用中就有了變頻器和電動機的合理電壓等級選擇問題。

在實際應用中，如果電動機供電電壓等級越高，則電動機的絕緣等級必須滿足更高電壓等級的要求，從而導致電動機的價格增加。從電力電子器件特性及安全系數(shù)考慮，受電力電子器件的額定電壓及電機允許的電壓變化率dv/dt限制，6kV變頻器必須采用多電平或多器件串聯(lián)，造成線路復雜，價格昂貴，可靠性差。以西門子羅賓康的PERFECTHARMONY系列6kV高壓變頻器為例，如果6kV電壓等級的變頻器采用1700V的IGBT，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，三相共45只器件，如果是用3300V的IGBT，每相由3個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，三相共27只器件，數(shù)量巨大。另一方面是實際電流較小，器件的電流能力得不到充分利用，以500kW電動機為例，6kV電動機的電流不到60A，而1700V的IGBT電流已達2400A，3300V器件電流達1600A，有大器件不能用，偏要用大量小器件串聯(lián)，這種現(xiàn)象就非常不合理。

輸出同樣功率的變頻器，使用較高電壓等級或較多單元串聯(lián)所花的代價遠大于用較低電壓，所以200kW～800kW以下的變頻調(diào)速宜選用660V電壓等級，功率2500kW以下電壓最好不超過3kV，660V電壓等級的變頻器線路簡單，技術(shù)成熟，可靠性高，dv/dt小，價格便宜。例如630kW的660V的低壓變頻器約35萬，而630kW的6kV中壓變頻器約90萬，價格相差很大，但是電動機和變壓器的價格卻又遠低于變頻器的價格，即使增加電動機和變壓器也能節(jié)約大筆投資。

2 諧波的危害及治理

諧波是指對周期性非正統(tǒng)交流量進行傅里葉基數(shù)分解得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，而逆變電路的開關(guān)特性對供電電源形成一個典型的非線性負載，它主要有以下危害：（1）諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電輸電及用電設(shè)備的效率，進而影響的正常工作，使發(fā)電機、變壓器、電容器及電纜發(fā)生過熱，加速老化，使發(fā)電機振動產(chǎn)生噪聲污染，縮短了電器設(shè)備的電器設(shè)備；（2）諧波會在電網(wǎng)中的局部發(fā)生并聯(lián)或者串聯(lián)，致使諧波放大，引起電網(wǎng)事故；（3）諧波還會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低通信質(zhì)量，有的甚至是通信系統(tǒng)無法正常工作，從而導致信息丟失，信號執(zhí)行機構(gòu)誤動作引起事故。

變頻器裝置投接入6kV電壓等級的電網(wǎng)必須滿足GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》及IEEE519-1992有關(guān)諧波抑制的規(guī)定，主要與電網(wǎng)容量和裝置的額定功率有關(guān)，短路容量在1000MVA以內(nèi)，1000kW裝置12脈整流（變壓器副邊雙繞組）可滿足諧波抑制的規(guī)定，如果是24脈整流，其功率就可達2000kW，12脈整流基本上消除了幅值較大的5次和7次諧波。超過36脈整流，諧波電流幅值降低不顯著，而制造成本過高。從實用角度看，整流橋組成12相整流可消除5次和7次諧波，基本滿足電網(wǎng)諧波要求，因此400kW～800kW采用12相整流，1000kW～2500kW采用24相可以符合要求。

3 變頻器的工作及檢修環(huán)境

變頻器強大的功能決定了其內(nèi)部的復雜性，其內(nèi)部主要是有高度集成的控制板和驅(qū)動板組成，屬于精密的電子設(shè)備，安裝和使用環(huán)境對變頻器的壽命影響較大。首先安裝和使用環(huán)境要干燥，良好通風，應盡可能避免布置給排水或暖氣管道（盡量采用空調(diào)采暖通風，環(huán)境溫度保持在-10-50℃，相對濕度保持在20%-90%范圍），防止管道發(fā)生故障或檢修時造成水淹或噴濺到變頻裝器上，造成變頻器損壞。變頻器長期運行時應避免在高濕度環(huán)境下使用，防止內(nèi)部產(chǎn)生凝露，導致元件絕緣降低、性能劣化和金屬表面的銹蝕。由于變頻柜一般都帶有的冷卻風扇換，冷卻風扇在換氣時會吸入粉塵，而且電子元器件本身對粉塵也有較強的吸附作用，導致變頻器內(nèi)部元件和散熱器就會被覆蓋和阻塞，而非導電性粉塵的堆積，主要影響變頻器內(nèi)部元件、散熱器和空氣的熱交換，使元件長期工作在超溫狀態(tài)，加速其老化甚至擊穿，導電性粉塵會直接造成變頻器內(nèi)部電路板元件之間的短路或者擊穿。由于大多數(shù)粉塵帶有腐蝕性，長期大量堆積為對內(nèi)部元件和印刷電路板的腐蝕作用，引起元件間短路、斷路，導致設(shè)備及生產(chǎn)事故。

控制板和驅(qū)動板的集成電路板上包含了許多靜電敏感元件（ESD），但是人體在通常情況下都是帶有靜電的，若果在檢修時直接接觸這些靜電敏感元件，人體帶有的較高的靜電電壓可能會擊穿損壞這些元件，所以在進行變頻器內(nèi)部接線或檢修時，盡量不要接觸電子線路，還要避免線路板接觸高絕緣材料，如果不可避免，就必須首先對身體進行放電，使用導電良好的工具材料進行操作，而且拆下的線路板應該放在導電性的材料內(nèi)保存，防止靜電危害。

綜上所述，合理選擇供電電壓不僅能節(jié)約投資，縮短投資回收期，還能提高設(shè)備自身的性能，增長變頻器的使用壽命，利用相關(guān)技術(shù)治理諧波問題可以減小諧波對電網(wǎng)的污染，創(chuàng)造理想的安裝使用環(huán)境，利用正確方法和工具檢修都可以延長設(shè)備的使用壽命，已達到更好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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