通用变频器在工业设备应用中的问题与应对措施

　　郝剑飞

　　（北京博联众睿机器人科技有限公司，北京 100176）

　　摘要：随着科学技术的发展，通用变频器日益引起重视。在工业设备应用过程中，通用变频器容易出现振动、发热等问题。基于此，文章主要分析通用变频器在工业设备应用中存在的问题，并提出相应的解决措施，确保发挥变频调速器在工业设备中的应用效果，以供参考。

　　关键词：变频器；工业设备；问题；对策　　文献标识码：A　　中图分类号：TN773

　　文章编号：2096-4137（2022）18-68-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2022.18.22

　　在变频器的实际应用过程中，由于电子设备之间存在较大的干扰问题，应合理针对不同情况判断变频器在使用中存在的问题，并采取相应措施加以解决，不断完善变频器的运用途径，合理发挥变频器的实际作用，提升工业设备效率，为工业发展创造更大的价值。

　　1　变频器节能原理

　　目前，电机的电力消耗量大约为65%，风机、水泵装置每年的用电量约为30%。导致这一情况的原因是：传统的风机、水泵等设备是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度调节给风量或给水量。其中，输入功率较大，且大量的能耗一般来源于挡板、阀门的截流过程。变频器系统通常由整流（AC）、滤波、逆变（DC）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理部等组成。在不调整转速的情况下，变频电源不仅不会节能，反而会提高其功耗，在无负载的情况会消耗大量的电能。为此，可采用低负荷运行方式。若将电压调到最低，变频器的节能效果也不明显，但在风机环境下，电机的速度就会减慢，电机的转距也会大幅度下降，节能效果明显。由此可以得出，在风量减少时，可将调节变频器输出频率降低，并依据电动机功率将其按照计算方式以三次方关系，进行降低频率表，进而调节好挡板、阀门节能百分比，达到节电的效果。

　　2　通用变频器在工业设备应用中的问题

　　2.1　电磁干扰问题

　　在工业生产中，由于各种电子产品数量众多，分布非常密集，在使用过程中会与频率发生器发生相互干扰，主要有两种情况：一是由外部部件引起，二是由变频器引起。整流设备、交直流互换设备、电子电压调节设备、照明设备等都是电力系统的非线性负荷，其谐波会对本地区电网的电子设备造成一定的干扰。此外，变频调速装置在局部电网中也属于非线性负荷，对其他部件也有一定的谐波干扰。此外，由于变频器的逆变频器大多采用PWM 技术，因此在转换方式下所产生的速度较快，会引起较多的耦合噪声。当风速减小时，电机会随之减慢，电动机的转速也会大幅降低，节约能源。从这种情况考虑，变频器在运行过程中必然会对周围电气设备产生干扰，这种电磁干扰也会导致变频器所需组件出现工作状态不佳的情况，严重时会影响设备运转，对于设备正常寿命来说会产生一定的安全隐患问题。

　　2.2　变频器发热问题

　　变频器在长期运行的情况下一般会产生热量，这些热量会通过机箱的外壳向大气中扩散，但也有一小部分无法及时地被输送到装置外。长时间在高温环境下工作，设备的老化速度会加快，使用寿命会缩短。因此，为了确保变频器设备高品质运行，必须对其进行适当的冷却。在工业生产中，一般采用两种方式冷却设备：一是对设备自身进行冷却，二是对周围环境进行冷却。在对设备自身进行冷却时，主要是在设备内部安装散热风扇，加速设备内部的空气流通，从而达到冷却的目的。但为了控制周围的温度，需要对环境进行冷却，通常可改善工厂的通风设施，确保整个车间的温度。例如，要建设通风良好的设备，需要安装好通风系统。常规的变频调速装置在-10 ～ 50℃的工作温度范围内，在将环境温度降到35℃以下时，可以延长变频调速装置的使用寿命，并保证变频器工作的稳定性，保证工艺生产顺利、高效。

　　2.3　震动干扰问题

　　在变频器工作时，由于高频谐波的存在，会对一些机械零件产生一定的磁力，如果这些磁力与机器的固有频率相近，就会产生震动干扰问题，并对仪器的工作造成较大的影响。

　　3　解决对策

　　3.1　变频器抗电磁干扰措施

　　3.1.1　空间隔离的应用

　　在工业生产中，为了防止电磁干扰，通常采用空间隔离技术。该技术要求操作人员在使用变频器时或在进行变频器安装前掌握每一种电磁装置的特性，并按技术要求将内部可能会造成变频器电磁干扰的装置进行手工分离，以此解决变频器电磁干扰问题，确保不会影响整个工艺的正常运转。此外，在空间隔离解决措施中，操作人员还可以在两个装置之间设置一个配电箱或其他不容易被干扰的装置，从而隔离一些电磁波干扰，解决电磁干扰问题。然而，某些工厂由于土地成本的限制，工厂的布局要尽量紧凑、合理，并且设备要布置得非常紧密，很难做到真正的空间分离，为此可尝试按下述方式进行处理。

　　3.1.2　添加过滤设备

　　变频调速系统在工作时会产生较多的高次谐波，对电网中的其他设备产生较大干扰，并且这种干扰的强度还会随着频率的增大而逐步增大。为了解决这个问题，可以采用一种无功补偿方式调整电力系统的功率因数。该方法还能在变频调速装置的输入、输出端加装滤波装置，从而减少变频调速系统的EMI。滤波器由电容、电感、电阻器等构成。滤波器能有效过滤电力线路中某一频率或非此频率的其他频率，从而获得某一频率的供电信号，或在某一特定频率下去除电源信号。

　　3.1.3　干扰掩蔽

　　当变频器在运行时，其他部件的电磁波将通过变频器的控制线缆作为输入通道。上文所述都是通过设备之间的电磁干扰实现的，如果将整个变频器都装在一个金属外壳中，就可以将辐射和干扰降到最低。而当EMI 从一端侵入时，必须对其进行相应的抗干扰。例如，变频调速控制和通信电缆都采用双绞式屏蔽，而功率输出电缆则是变频调速专用的屏蔽电缆，而且不能与其他控制电缆相邻布置。变频器附近的地面一定要牢固，以减少变频器与其他电气设备所产生的电磁干扰，使其正常工作。

　　3.2　抑制谐波

　　通用变频器的主要电路形式分为整流部分、逆流部分以及滤波部分，整流部分为三相桥式属于不可控整流部件，而逆流部分可分为IGBT 三相桥式逆变器且输出为PWM波形。总的来说，低次谐波一般会对电机的负荷产生很大的影响，从而产生转矩波动，而更高的谐波会增大变频器的输出端的泄漏电流，从而导致电机的出力不足，因此需要对变频调速系统的高低次谐波进行抑制。

　　（1）加强变频器供电电源内阻抗效果，一般来说可在通用设备中增加内阻抗，内阻抗可有效缓解变频器产生的直流，并以过滤电容装置发挥无功功率作用，在产生内阻后，其内阻抗越大所涉及的谐波含量就越小，也就达成了内阻抗效果，解决了变压器谐波问题。在选择变频器供电电源时，应尽量选择短路阻抗大的变压器。

　　（2）应科学合理地安装电抗器，并在变频器输入端和输出端中串接好合适的电抗器，进而增强整流部分阻抗效果，并抑制住高次谐波电流。

　　（3）可采用变压器进行多项运行解决，一般变频器采用六脉波整流，所以会造成很大的谐波。采用二次绕组法，将两组三相AC 电源相位偏移30°。整流变压器二次线圈采用星形和三角形相结合，使整流电路的脉冲频率从6 脉波增加到12 脉波，以此有效减小低频次谐波电流，并更好地发挥出抑制作用。

　　3.3　振动问题对策

　　在变频器运行过程中，如果振动超过设备的使用范围，不但会影响设备的使用寿命，还会引起一些突发事件，给操作人员带来危险。为解决振动问题，可在变频调速过程中尽量降低高频谐波对周边机械设备的振动干扰。传统的方法是将交流电抗器与变频电机连接起来，以降低变频电源的输出电流所引起的高阶谐波。在安装电抗器时，其与变频器的距离越近，导线间距越小，间距就缩小后干扰也自然会减少。

　　3.4　射频传导发射干扰

　　3.4.1　射频辐射干扰

　　辐射干扰的特点是在其他电子装置接近频率时会出现较大的干扰。从电磁理论出发，电磁干扰的形成应具备三个要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为了避免这种情况，可以通过硬件抗干扰和软件抗干扰实现。在抗干扰技术中，硬件抗干扰是最基础、最主要的抗干扰手段，从抗干扰、消除干扰源、切断干扰对系统耦合通道、降低干扰的灵敏度等方面进行研究。在工程上，可采取隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

　　3.4.2　采用软件抗干扰措施

　　具体来说，就是将变频调速器的载频降到合适的幅度。若此方法行不通，则必须采用硬体抗干扰性措施。

　　3.4.3　正确接地

　　从实地考察可以看出，地面接地状况并不理想。而正确的接地方式，不仅能够有效抑制外部干扰，而且能够减少设备自身对外部环境的干扰。具体来说，应做到以下几点：频率转换器的主回路端子PE（E，G）必须与频率转换器中的电动机共地，但不能与其他装置共用，必须分别设置接地桩，并与弱电装置的接触点保持一定距离。同时，变频器的接地线必须具有4mm2 以上的截面，并且长度不能超过20m；其他机电设备的地线应分别设置保护接地和工作接地，并最终汇入配电箱的接地处。

　　3.4.4　屏蔽干扰源

　　对干扰源进行屏蔽是一种非常有效的抑制手段。一般情况下，变频器自身都有一个金属外壳，防止EMI 泄漏，其中变频器的输出线最好用钢管进行屏蔽，尤其是当频率转换器被外部信号（4 ～ 20mA）控制时，控制信号线路越短越好（典型的不超过20m），并且必须使用屏蔽绞合，并与主电路线路AC380 和控制线（AC220V）完全分开。另外，对电子敏感器件的线路，尤其是高压信号，也需要屏蔽的双绞线。此外，系统中的所有信号线都不能与主电路、控制线配在同一线槽内。为了保证屏蔽效果，屏蔽层应具有可靠的接地性能。

　　例如，合理布线，在电源及信号线路上，应尽可能地与频率转换装置的输入输出线路保持距离；其他装置的电源及信号线路，应尽量避免与频率转换装置的输入、输出线路平行。如果上述方法仍然无效，则按照下列方法进行：所谓的 “干扰隔离”就是将干扰源与脆弱的部分从线路中分离出来，从而避免它们之间所形成电气连接。一般情况下，为了防止电力系统中的导电干扰，在电力线路上可使用绝缘变压器，如功率开关、控制器等。

　　此外，也可在系统线路中设置滤波器，用于防止来自频率转换器的干扰信号，并经由电力线路传输到电力供应和马达。为了减小系统的电磁噪音和损耗，可以在变频调速系统的输出端配置输出滤波器。如果线路中存在诸如控制器、发射机等敏感电子设备，则应在其电力线上安装功率噪声滤波器，以避免对其进行传输。

　　根据应用场合的不同，滤光片可以分成：线路滤波器和辐射滤波器，线路滤波器主要是由感应线圈组成，通过增加线路在高频处的阻抗而减弱高频率的谐波；辐射滤波器，主要是用高频电容来吸收高频率的高能量谐波分量。输出滤波器也由电感线圈构成，能有效降低高次谐波分量的输出电流。该系统不但具有抗干扰性，而且能消除因高次谐波所产生的谐波电流所造成的额外力矩。在变频调速系统的输出中，应注意以下几个方面：在变频器的输出端子上不允许电容器被连接，以防在电源管被接通（关断）的瞬间产生非常高的充电（或放电）电流，从而损坏电源管；当采用LC 电路构造输出滤波器时，在滤波器中插入电容的那一面一定要与马达侧相连接。

　　4　结语

　　综上所述，变频器在工业设备应用中的问题较多，在合理解决上述问题后变频器即可发挥实际优势，提升工厂实际生产效率，并进一步促进了自动化生产发展效益。

　　作者简介：郝剑飞（1985-），男，内蒙古包头人，北京博联众睿机器人科技有限公司电气工程师，研究方向：电气工程。

　　参考文献

　　[1]董峰．通用变频器在工业设备应用中的问题及对策 [J]．现代信息科技，2019，3（21）：56-57．

　　[2]涂绍平，朱迎谷，朱建波．一种基于通用变频器的工作级ROV动力系统研究[J]．自动化应用，2021（3）：9-12．

　　[3]冯兴田，胡慧慧，陈荣．基于Matlab的通用变频器仿真教学系统开发[J]．实验室研究与探索，2019，38（9）： 135-138．

　　[4]徐俩俩．基于三菱PLC的变频器多段速控制——以三菱通用变频器FR-D700为例[J]．镇江高专学报，2020，33 （1）：52-54．

　　[5]徐永海，李晨懿，汪坤，等．低压变频器对电网电压暂降耐受特性及兼容性研究[J]．电工技术学报，2019，34 （10）：2216-2229．

　　[6]俞庆涛，向兵．采用西门子PLC及变频器控制的污水站自动排水控制电路[J]．电世界，2021，62（1）：40-43．

　　（责任编辑：张志明）