变频器应用中的发热噪声谐波问题及应对措施

在现代工业控制中，采用变频器控制电动机的电力拖动系统，有着节能效果显著，调节控制方便，维护简单，可网络化集中远程控制，可与PLC组成控制系统等优点。变频器的这些优点使其在工业自动控制领域中的应用日益广泛。本文对变频器应用中的故障问题进行了分析，并介绍了处理方法。
　　1 变频器应用中的一些问题
　　1.1 谐波问题
　　变频器的主电路中起开关作用的器件，在通断电路的过程中，都要产生谐波。较低次谐波通常对电动机负载影响较大，引起转矩脉动；而较高的谐波则使变频器输出电缆的漏电流增加，使电动机出力不足。谐波干扰还会导致继电保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。
　　1.2 噪声与振动问题
　　采用变频器调速，将产生噪声和振动，这是因为变频器输出波形中含有高次谐波分量。随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量都在大范围内变化，很可能与电动机的固有机械振动频率发生谐振，而这种谐振是噪声与振动的来源。
　　1.3 发热问题
　　变频器在运行中由于内部损耗而产生热量，这种热量主电路占98%，控制电路占2%左右。同时在夏季环境温度过高，使变频器温度上升，温度可高达80~90℃，由于变频器是电子装置，内含电子器件和电解电容等，温度过高易造成元器件失效，使液晶屏幕数据无法显示，还经常会发生变频器保护动作的现象。
　　因此，必须将变频器输出的谐波抑制在允许的范围内，同时消除或减弱噪声与振动，对变频器进行散热，以延长变频器的使用寿命。
　　2 变频器应用中一些问题的分析与处理
　　2.1 对谐波问题的处理
　　对谐波问题的处理就是切断干扰的传播途径和抑制干扰源上的高次谐波。
　　切断干扰的传播途径有：
    1)切断共用接地线传播干扰的途径动力线的接地与控制线的接地应分开，即将动力装置的接地端子接到地线上，将控制装置的接地端子接到该装置盘的金属外壳上。
　　2)信号线远离干扰源电流的导线布线分离对消除这种干扰行之有效，即把高压电缆、动力电缆、控制电缆与仪表电缆、计算机电缆分开走线。
　　抑制干扰源上的高次谐波的方式有：
　　1)增加变频器供电电源内阻抗通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此，选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。
　　2)安装滤波器在变频器前加装LC型无源滤波器，滤掉高次谐波，通常滤掉5次和7次谐波。
　　3)安装电抗器在变频器前侧安装线路电抗器，可抑制电源侧过电压。
　　4)设置有源滤波器有源滤波是自动产生一个与谐波电流的幅值相同且相位正好相反的电流，从而可以有效地吸收谐波电流。
　　2.2 对噪声与振动问题的处理
　　1)当变频器输出中的低次谐波分量与转子固有机械频率发生谐振时，则噪声增大；当变频器输出中的高次谐波分量与铁芯、机壳、轴承架等，在各自固有频率附近处发生谐振时，则噪声增大。
　　变频器传动电动机产生的噪声特别是刺耳的噪声与PWM控制的开关频率有关，尤其在低频区更为显著。要解决这一问题，一般在变频器输出侧连接交流电抗器。如果电磁转矩有余量，可将u/f设定小些，以平抑和降低噪声。
　　2)变频器工作时，输出波形中的高次谐波引起的磁场对许多机械部件产生电磁策动力，策动力的频率与这些机械部件的固有频率接近或重合时将发生谐振。对振动影响大的主要是较低次的谐波分量，在PAM方式和方波PWM方式时有较大的影响。但采用SPWM方式时，低次的谐波分量小，影响亦变小。
    减轻或消除振动的方法是在变频器输出侧接人交流电抗器以吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。采用PAM方式或方波PWM方式的变频器时，可改用SPWM方式变频器，以减小脉动转矩，就可以减弱或消除振动，防止机械部分因振动而受损。
　　2.3 对发热问题的处理
　　通用变频器的运行环境温度一般要求在-l0℃～+50℃。为保证变频器可靠地工作，并延长变频器的使用寿命，必须对变频器进行散热。冬天可以利用变频器的内装风扇将变频器箱体内部的热量带走；夏天温度本身就有40℃，利用变频器的内装风扇带走的内部热量只能使室内和变频器箱体温度升高，此时最好的办法是利用窗户或在机配电室紧邻变频器箱体的墙壁上下方均匀适当地打几个φ500mm的洞，同时确保控制柜内变频器周围留有一定的空间，保持良好的自然通风。这样还不行的话可以打开风扇，或在洞口加装排气扇和风道，将变频器产生的热量强制抽出室外。最后可考虑采用空调对安装变频器的空间环境进行强制降温。