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1变频器在矿山中的应用探析薛丽贤（长春黄金研究院）摘要：变频器具有调速性能好，调速范围宽和运行效率高，使用操作方便，且宜于同其它设备接口兼容，简要介绍了变频器分类、变频器的选择、参数设置、故障判断及处理。关键词：变频器；分类、选择、参数设置；故障判断0前言变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着微电子技术及IGBT功率器件的迅速发展，作为交流电机主要调速方式的变频器调速技术获得了空前的发展。变频器以其优异的控制性能在钢铁、化学、汽车、矿业、食品、造纸、水泥、煤气、交通等行业广泛的应用。1变频器分类变频器种类繁多，应用非常广泛，变频器的分类方法有很多种，主要有以下几种：[1]（1）按变换的环节分类，分为交-交变频器和交-直-交变频器。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电又称直接式变频器。交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称为间接式变频器。（2）按直流电源的性质分类，分为电压型变频器和电流型变频器。（3）按变频控制方式分类，分为U/F控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。（4）按功能分类，可分为恒转矩变频器和平方转矩变频器、简易变频器。（5）按用途分类，可分为通用变频器、高性能专用变频器和高频变频器等。（6）按变频器供电的电压分类，可分为低压变频器和高压变频器。2变频器的选择变频器的正确选择对于控制系统正常运行是非常关键的，选择变频器前要对生产机械的类型、调速范围、启动转矩进行认真分析，然后确定选用何种控制方式的变频器，才能达到即好用、经济，又能满足工艺和生产要求。变频器的选择应满足以下几点[2]：（1）确定变频器是用于恒压控制或恒流控制后，电压等级与控制电机相符，额定电流为控制电机额定电流的1.1~1.5倍。（2）确定变频器的负载类型，根据被控的负载特性选择变频器的类型。（3）确定变频器是否用于驱动高速电机，如用于驱动高速电机，则选择的变频器的容量应稍大于普通电机的容量。（4）确定变频器是否需要长电缆运行，如需要则变频器容量要放大一档或在变频器的输出端安装电抗器。2为了确保变频器的工作效率，变频器的容量选择则应注意以下四点：（1）为了使变频器运转效率高，选择变频器时变频器的功率值与电动机功率值应相当。（2）若变频器的功率分级于电动机的功率分级不相同，变频器的功率要尽量可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。（3）属需频繁启动、制动工作或重载启动时为利于变频器长期、安全运行应选用大一级的变频器。（4）属高温，高海拨等特殊场合用的变频器因工作环境将会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。3变频器的安装3.1变频器的安装环境要求由于变频器集成度高,整体结构紧凑,自身散热量较大,因此对安装环境的温度、湿度、腐蚀性气体和粉尘的含量都有比较高的要求[3]。(1)工作温度。一般要求为0~55°,但为了保证工作安全、可靠,使用时应考虑留有余地,最好控制在40°以下。(2)环境温度。温度太高且温度变化较大时,变频器内部易出现结露现象,其绝缘性能就会大大降低,甚至可能引发短路事故。必要时,必须在箱中增加干燥剂和加热器。(3)腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大,应把控制箱制成封闭式结构,并进行换气及对变频器内部的接线端子涂刷绝缘漆以保证腐蚀部分同腐蚀性气体隔离。3.2安装方向要求变频器在结构上，内部和背面都考虑应冷却效果，另外由于上下的关系对通风也很重要，所以对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，并尽可能垂直安装。3.3接线要求接地电源线绝不能接到变频器的输出端子上，不要误认为变频器输出端子排上的“N”是中性线端子，要把主电路与控制电路接线分开。4在工程应用中注意的问题物理环境1)工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。2)环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。33)腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。4)振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。电气环境1)防止电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。2)防止输入端过电压。变频器电源输入端往往有过电压保护，但是，如果输入端高电压作用时间长，会使变频器输入端损坏。因此，在实际运用中，要核实变频器的输入电压、单相还是三相和变频器使用额定电压。特别是电源电压极不稳定时要有稳压设备，否则会造成严重后果。接地变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子E(G)接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm2，长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。信号输入线的屏蔽层，应接至E(G)上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通，如果实际安装有困难，可利用铜芯导线跨接。防雷在变频器中，一般都设有雷电吸收网络，主要防止瞬间的雷电侵入，使变频器损坏。但在实际工作中，特别是电源线架空引入的情况下，单靠变频器的吸收网络是不能满足要求的。在雷电活跃地区，这一问题尤为重要，如果电源是架空进线，在进线处装设变频专用避雷器(选件)，或有按规范要求在离变频器20m的远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备。实践表明，这一方法基本上能够有效解决雷击问题。（1）变频器的安装。由于变频器集成度高,整体结构紧凑,自身散热量较大,4因此对安装环境的温度、湿度、腐蚀性气体和粉尘的含量都有比较高的要求。变频器周围应留有足够的散热空间，尽量垂直安装。在高温或高海拔地区，由于散热差，可通过适当加大容量来降低设备发热。粉尘和腐蚀性气体对设备产生危害，也是变频器安装中要考虑的因素。（2）变频器的抗干扰处理。由于变频器工作时产生高次谐波和较强的电磁辐射，形成电磁干扰。通常采用如下几方面措施来减小干扰的影响：做好接地系统，设备可靠接地。控制线，尤其是模拟量传输线采用屏蔽电缆，屏蔽层接地。动力线与控制线分开敷设，尽量减少并行。控制电源采用变压器隔离，必要时加装滤波器。（3）电动机使用注意事项。普通异步机冷却风扇与电机同轴。当电机长时间低速运行时要考虑对散热的影响。这种情况最好选用风扇与电机轴分开的变频专用电机。变频器供电的带抱闸电机，抱闸电源不能从电机上取，应从变频器输入侧取抱闸电源。靠齿轮传动的负载，通常不适宜长时间超基频运行，一般不应超过70赫兹。（4）变频器的输出元件是半导体器件，耐高压能力受局限。不能用兆欧表检查与变频器连接的电机绝缘。也不能在带载运行时用接触器切换负载，避免产生操作过电压，损坏逆变器。5变频器的故障判断及处理变频器在使用中因受环境条件等因素的影响陆续出现一些故障现象，在维修过程中，笔者积累了一些故障判断和处理经验[4]。（1）整流模块损坏通常是由于电网电压或内部短路引起。在排除内部短路情况下，更换整流桥。在现场处理故障时，应重点检查用户电网情况，如电网电压，有无电焊机等对电网有污染的设备等。（2）逆变模块损坏通常是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起。测试逆变电路，将红表棒接到P端，黑表棒分别接U、V、W上，应该有几十欧的阻值，且各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。将黑表棒接到N端，重复以上步骤应得到相同结果，否则可确定逆变模块有故障。在确定无任何故障下，才能运行变频器。（3）上电无显示通常是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起，如启动电阻损坏，操作面板损坏同样会产生这种状况。（4）显示过电压或欠电压通常由于输入缺相，电路老化及电路板受潮引起。解决方法是找出其电压检测电路及检测点，更换损坏的器件。（5）显示过电流或接地短路通常是由于电流检测电路损坏。如霍尔元件、运放电路等。当IGBT模块某一相门极损坏时，变频器会出现过流保护现象，这时应对IGBT模块进行检查。6变频器在矿井提升机中的应用例如一矿井提升机，交流电机容量为160KW，采用西门子S7300PLC控制。如5何选择配置变频器？首先分析一下负载特性：要求有较高的过载能力，运行频繁，对可靠性要求较高。负载为重物提升，属恒转矩负载，电动机有时运行在再生发电制动状态。根据上述特性，变频器容量至少比负载大一级，本例选用西门子MM440系列产品，容量确定为200KW。配置提升机专用能量回馈单元，与PLC之间采用通讯方式联系，采用西门子产品的profibus通讯协议，配置通讯模板提升机系统是矿山生产的至关重要的大型设备，对矿井的生产及安全起着非常重要的作用。无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高。变频器控制方案：因提升机一般都满负荷运行，而且要求起动力矩大，因此根据电机的容量（380/215kW），变频器一般应高出一个规格为ABB-ACS800250kW。控制核心为ABBACS800系列重载型变频器利用与变频器提升机系统对接对绞车进行起、停、减速及机械抱闸系统的控制，同时用变频器调节频率及轴编码器的信号采集，通过PLC的计算，使提升机的速度得到有效而准确控制，并确保停车位置的准确性。其系统组成主要由变频器、回馈控制单元、PLC控制系统、电源等。变频器调速的原理：（1）主回路主回路图：如图1主回路工作过程：三相交流电经整流滤波变成直流电，为逆变提供电源，逆变的功能是将整流后的直流电转化为调频调压的交流电去驱动电机，电能转换成机械能，实现提升作业；当电机由高速运行减速或单钩绞车下放时，负载由于存在惯性，电机的实际转速会超过它的同步转速，机械能转化为电能，由电动机运行状态变成发电机运行状态，发出的交流电经逆变部分的续流二极管整流成直流，使母线电压升高，直接危及功率器件，必须把这部分能量释放掉，于是我们做了回馈单元，对这部分能量进行处理，反送回电网，从而保证变频器的安全工作，并进而节约了电能。②控制回路。采用CPU统一控制和变频器自身的PLC外端接口相结合，使调速系统具有很高的可靠性，同时利用PLC强大的控制能力实现灵活的控制方式和电气隔离③接口电路。输入：故障输入、编码器信号、正转、反转、松闸信号、母线过压1、内部保护、母线过压2、5个档位、急停、模拟输入+a、+b等。输出①去主板的信号：公共点、正/反、松闸、运行、急停、外控电压输入。②指示信号：故障指示、上升指示、下降指示、减速指示、档位指示。④变频器为典型的交-直-交电压源型变频器，其功率模块为进口的西门子新型IGBT器件，采用32位全数字单片机控制技术，可以实现交流电动机大范围内的无级平滑调速，在运行过程中能随时检测电动机的负载情况，自动调整功率输出，使电动机始终运行在最佳状态，节能效果明显。6.2变频器调速技术在空压机中的应用某金属矿山已成功应用变频器对旧空压机站进行了改造，节约了电能，稳定性高，提高了空压机的运行效率。对企业节能降耗，提高企业经济效益有重要意见，有广阔的推广应用前景。6