变频器已经是工业调速的主流方案。但很多现场的问题是:变频器装了,效果却不好——电机发热严重、低频转矩不足、运行时振动、莫名其妙跳保护、干扰其他设备。

变频器不是“电源+调压器”,它输出的是PWM脉冲,对电机、电缆、周边设备都有特殊要求。不了解这些,变频器就是一个麻烦制造机。

一、变频器的选型

先算清楚负载需要多大转矩、什么转速范围,再选变频器和电机,不要“拍脑袋”定功率。

选型三要素

电流是第一位的。变频器的额定电流必须大于电机的额定电流,不是功率对得上就行。不同负载特性下,同样功率的电机电流差异很大。重载启动或频繁启停的场合,变频器需要放大一档。

过载能力要匹配。变频器通常有60秒150%过载能力。风机、泵类负载按正常过载选型;冲击性负载(破碎机、压力机)建议放大一档;恒转矩重载(挤出机、输送机)也必须放大一档。

负载特性决定了选型策略。平方转矩负载(风机、泵)最友好,按电机功率选型即可。恒转矩负载(输送机、挤出机)启动电流大,变频器要放大一档。恒功率负载(机床主轴)按电机功率选,但要注意最高转速时的电压需求。

选型案例

一台55kW风机,额定电流103A。变频器厂家样本上55kW机型额定电流110A,可以匹配。如果是55kW挤出机(恒转矩),同样55kW电机电流更大,且需要长时间过载能力,建议选75kW变频器。

二、变频器与电机的匹配

普通电机能用变频器,但有条件。

普通异步电机用变频器,主要问题是:低速时散热变差(自身风扇转速随电机转速下降),长时间低速运行会过热;高速时轴承和转子动平衡可能出问题;变频器输出的PWM脉冲会产生电压尖峰,损伤电机绝缘。

普通电机用变频器的限制:最低频率不低于20Hz,否则散热不足;最高频率不超过工频太多(一般≤60Hz);电机与变频器之间距离不宜过长。需要长时间低速运行的场合,必须选变频专用电机。

变频专用电机的特点:独立供电的冷却风扇,低速时也能保证散热;加强绝缘等级(F/H级),耐受电压尖峰;动平衡等级更高,适应宽转速范围;价格比普通电机贵20%-30%,但可靠性大幅提升。

三、变频器的安装与布线

变频器的安装布线直接影响运行稳定性和对外干扰。

安装环境

变频器发热量大,必须保证通风良好,上下留出足够的散热空间。环境温度每升高10℃,变频器寿命约减半,超过40℃需要降容使用。安装地点应避免油雾、粉尘、腐蚀性气体和振动。

布线原则

变频器输入输出线不能穿在同一根管里,输出线的高频脉冲会感应到输入线,损坏变频器。

控制线使用屏蔽电缆,屏蔽层单端接地。控制线与动力线分开布置,间距不小于20cm,必须交叉时垂直交叉。

变频器与电机之间的电缆长度有讲究:普通电缆超过50m,建议加输出电抗器;超过100m,必须加输出电抗器或正弦滤波器,否则电缆分布电容会产生过高的电压尖峰,损伤电机绝缘。

接地

变频器必须有独立的接地线,不能与焊接设备、大功率设备共用接地点。接地电阻小于10Ω。屏蔽层采用单端接地(在变频器侧接地),避免形成地环路干扰。

实际案例:某现场变频器频繁报过压故障,检查发现电抗器都没装,变频器到电机的距离长达120m。加装输出电抗器后,电压尖峰得到抑制,过压故障不再出现。

四、变频器的参数设置

变频器参数众多,调不好不如不用工频运行。

电机参数自学习

变频器需要知道电机的参数才能精确控制。执行电机参数自学习(静止自学习或旋转自学习),变频器会自动测量定子电阻、漏感、互感等参数,比手动输入更准。每次更换电机或重新接线后,必须重新自学习。

加减速时间

加速时间太长效率低,太短容易跳过流。设置原则:在不超过过载能力的前提下尽可能短。一般负载10-30秒,风机、水泵长些,高惯性负载(离心机、风机)更长。

减速时间受制动能力限制。变频器减速时电机变成发电机,能量回馈到直流母线。母线电压升高,超过阈值就报过压故障。大惯性负载减速时间短时,需要加制动电阻消耗回馈能量。

V/F曲线

V/F是变频器输出电压与频率的比值。用于风机、泵类负载的节能型V/F曲线,低频时自动降低电压,减少励磁损耗。用于恒转矩负载的线性V/F曲线,电压与频率成比例,保证低频转矩。调试时试运行时先设线性V/F,转矩不够再调。

低频转矩提升

普通V/F控制在低频时输出电压低,励磁不足,转矩下降。启动重载时可能转不起来。

解决方案:开启转矩提升功能,低频时额外补偿电压。但补偿过大会导致电机过热、低频振动。需要矢量控制的场合,开环矢量控制(无速度传感器矢量控制)低频转矩可达150%,适合大部分场合。闭环矢量控制需要编码器,低频转矩可达200%。