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上海慶惜自動化設備有限公司

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• ，無論是VVVF控制、矢量控制或直接轉矩控制的低壓變頻器輸入側均為整流回路，具有非線性特性，所產(chǎn)生的高次諧波使輸入電源的電流波形、電壓波形發(fā)生畸變；變頻器輸出側為一系列矩形波組成的脈寬調(diào)制的接近于三相正弦波形的交流電，輸出電壓和電流波形中均含有高次諧波。在交流電動機的變頻調(diào)速工況下，不僅變頻器內(nèi)部的電力電子器件產(chǎn)生熱損耗和風扇運行消耗電能，而且變頻器輸出側產(chǎn)生的諧波電流與諧波磁勢均能夠使電動機產(chǎn)生脈動旋轉磁場而降低輸出轉矩，在電力電纜和電動機的定、轉子中產(chǎn)生銅損、鐵損及雜散損耗，導致電動機的運行效率下降、電動機發(fā)熱、電力電纜發(fā)熱和增加線路損耗。尤其是低壓大、中容量電動機的變頻調(diào)速，上述諧波的影響將更為顯著，嚴重時將使電動機和電力電纜的使用壽命明顯縮短。
  
  變頻器的運行效率僅見少數(shù)使用說明書上有所標示，例如艾默生變頻器說明書注明的運行效率為：45 kW及以下功率段的通用變頻器≥93%；55 kW及以上功率段的通用變頻器≥95%。通常，在變頻器上端都安裝有1至3個冷卻風扇，以便將內(nèi)部電力電子器件散發(fā)的熱量及時排出。在大功率的變頻電控柜上，還應當考慮安裝柜內(nèi)出風口冷卻風扇。在變頻器輸出電力電纜超過80m或電動機功率較大以及電源電壓波形畸變嚴重或電源變壓器容量較大時，變頻器還需要配置輸入、輸出和直流電抗器，不僅增加電力線路的電壓降（輸入電抗器壓降4.4V左右；輸出電抗器壓降9V左右），使電動機輸出轉矩降低，而且也是變頻電控柜內(nèi)不可忽視的熱源。同時，變頻器的故障率也將隨之環(huán)境溫度升高而成指數(shù)上升，環(huán)境溫度每升高10℃變頻器使用壽命減半。
  
  2 變頻調(diào)速與工頻電力傳動的比較
  
  資料表明，變頻調(diào)速與工頻電力傳動比較，由于諧波的存在，電動機的總損耗將增加約30%，電流約增加10%，溫升約提高20%。電動機在低于額定轉速的變頻工況運行狀態(tài)下，由于自冷風扇轉速的降低，冷卻風量降低使冷卻效果下降，因此電動機的過熱現(xiàn)象將更加嚴重。同時，由于諧波的影響，電動機繞組上的電壓分布也變得很不均勻，再加上變頻矩形波的電壓變化率很高，極易發(fā)生繞組匝間短路事故。另外，諧波產(chǎn)生的噪音對電動機繞組的絕緣也是一種破壞作用。隨著變頻器的大量投入運行，由于諧波污染日益加重，不僅嚴重地影響電能質(zhì)量，降低電能傳輸和利用效率，而且電動機和供電變壓器的發(fā)熱情況也日漸明顯暴露，甚至在額定電流下運行時也能夠超過容許溫升，危及電氣設備運行的安全可靠性。
  
  變頻器在選擇輸出電力電纜時，如果按工頻電源供電條件選擇規(guī)定截面積的電力電纜，由于電纜內(nèi)含有諧波電流分量，則產(chǎn)生附加銅損和雜散損耗使其發(fā)熱量明顯增加；若選擇大一檔橫截面積的電力電纜時，則電纜對地電容增大使其對地漏電流增大，截面積每增加一檔，變頻器輸出電流應降低5%的額度使用。
  
  3 變頻器諧波的量化、污染與治理
  
  上述諧波的影響，對于200 kW及以下功率段的的變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)來說，雖然還不夠十分明顯，但是對于220 kW及以上功率段的變頻器來說，其影響決不可低估。例如日本三菱公司的A240系列變頻器，在額定電壓400V時：額定功率220 kW時，基波電流355A；額定功率250 kW時，基波電流403A；額定功率280 kW時，基波電流450A。可見諧波電流所占份額之大，必然通過變頻器輸入側電源線、輸出側電纜線和接地線向空間輻射與沿線路干擾接在同一電源的電氣設備。特別是空間輻射對臨近的通訊設備、計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)與信號線均產(chǎn)生不同程度的影響，嚴重時將使受干擾的設備不能工作。
  
  目前，雖然有源或無源濾波器能夠補償高壓或低壓變頻器產(chǎn)生的諧波電流，并且已經(jīng)有通用系列化的小功率產(chǎn)品進入市場，但是畢竟是只能治標而不能治本,況且濾波器本身也要消耗一定的電能，同時還引發(fā)一些新的問題。問其根本的原因，均為濾波器和變頻器內(nèi)的逆變器高速開關動作時，產(chǎn)生的電壓或電流的急劇變化引起的負效應所致。

   如何防止高壓變頻器對電磁的干擾？在高壓變頻器中，為解決單元串聯(lián)多電平高壓變頻器中主控系統(tǒng)與功率單元之間存在的強弱電隔離，及功率單元與功率單元之間的電磁干擾問題，提出了采用光纖連接方法實現(xiàn)功率驅(qū)動PWM信號的遠距離傳送。

   

  　　在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業(yè)廣泛應用的泵類負載，占整個用電設備能耗的40%左右，電費在自來水廠甚至占制水成本的50%。這是因為：一方面，設備在設計時，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機輸出不同的流量。

  　　隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展和自動化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對泵類負載進行速度控制，不但對改進工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又是節(jié)能和設備經(jīng)濟運行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。對泵類負載進行調(diào)速控制的好處甚多。從應用實例看，大多已取得了較好的效果(有的節(jié)能高達30%-40%)，大幅度降低了自來水廠的制水成本，提高了自動化程度，且有利于泵機和管網(wǎng)的降壓運行，減少了滲漏、爆管，可延長設備使用壽命。

  　　單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器，采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，該變頻器對電網(wǎng)諧波污染小，諧波輸入電流很低，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。如以6kV的輸出電壓等級為例，電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側多重化的隔離變壓器降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交一直一交PWM電源型逆變器結構。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯(lián)結構，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。

  　　在高壓變頻系統(tǒng)中，在控制單元柜部分的信號主要是弱電，但整個系統(tǒng)工作環(huán)境較為惡劣、傳輸距離不確定（較遠），存在各種高壓電信號。如果采用純粹的銅線進行傳輸，則需要面臨各種干擾、升壓、降壓、損耗大、易腐蝕等問題，從而導致可靠性低、實用性低、資源浪費等結果。

  　　工業(yè)光纖通過將電信號轉變?yōu)楣庑盘柕倪@個方式，解決了采用銅線傳輸中的變壓、損耗、干擾等問題，其主要應用在控制柜和變頻功率單元柜的的通信。