起重機變頻器對機上其它電氣設備的影響

關鍵字：起重機 變頻器 電氣設備
　　1 引言
　　交流變頻調速在起重機各機構上已大量應用，而變頻器整流電路和逆變電路中主要使用的是半導體開關器件，其輸入輸出的電壓和電流中除了基波成分外還含有一定的高次諧波，這些高次諧波將給起重機上集成在一起的其它電氣設備帶來不同程度的影響，嚴重時會使這些電氣設備不能正常工作，甚至誤動作，這樣會降低起重機整機的可靠性，危及設備和人身安全。
　　2 變頻器對其它電氣設備的影響種類
    變頻器產生的高次諧波對其他電氣設備產生的負面影響分三種。
　　2.1 引起電網電源波形畸變
    起重機上常用的電壓源型變頻器，其輸入電路一側是交-直流電源轉換的整流電路，由于整流電路的直流電壓是在被平滑電容濾波之后輸出給后續(xù)電路，所以電源供給變頻器的電流實際上是平滑電容的充電電流(見圖1)。由于存在內部阻抗，當變頻器供電的電源容量越大，變頻器輸入電流的波形就越陡峭，而輸入電壓的波形畸變則越小；電源容量越小，則電流波形越平緩，而電壓的波形畸變則越大。

　　由于電源電流和電壓的波形畸變，將對起重機主電機、抱閘推桿電機、接觸器、繼電器、直流電源等設備產生過熱、噪聲和振動，影響它們的使用壽命與動作準確性。
　　2.2 產生無線電干擾電波(無線電波噪聲）
    現(xiàn)在使用的變頻器大多采用PWM控制方式，逆變后的變頻器輸出電流波形模擬接近正弦波，可使電動機平滑運行并減少由于電動機轉速變化和電流波動引起的能量損失。但由于在采用PWM控制方式時逆變電路中半導體開關器件以相當高頻率(大于4MHz)進行開關動作，在變頻器的輸出電壓和輸出電流中含有高次諧波，這些高次諧波的最高頻率可達20MHz，并通過靜電感應和電磁感應而成為電波噪聲。電波噪聲包括傳導噪聲和輻射噪聲，前者通過電源導線傳播，后者由輻射至空中的電磁波和磁場直接傳播。
    傳導噪聲是由于輸出電壓高頻脈沖dV/dt造成的，它會使主電機絕緣惡化；會與機械軸系發(fā)生共振;會加大電動機轉子軸頭兩端、軸與軸承間的軸電壓，通過油膜放電使軸和軸承提前損壞。傳導噪聲可干擾PLC正常工作，可使負荷限制器誤差更大，使電子式接近開關、光電開關誤動作。
    變頻器的高頻電磁波輻射噪聲大部分集中在150kHz～1.5MHz頻段，會對起重機通訊用的無線對講機、某些起重機無線遙控器、起重機無線吊鉤秤、司機室收音機和擴音機以及電話機等設備產生干擾，影響其使用質量和效果。
　　2.3 引起電動機噪聲、顫振、過熱、扭矩降低等問題
    變頻器輸出電壓波形不是正弦波，流過電動機的電流也有許多高次諧波。電機在變頻調速運行時，電機繞組和鐵芯會因這些諧波而產生振動和磁噪聲，一般與采用電網正弦波電源直接驅動相比，變頻器驅動的電動機噪聲要大5~11dB(見圖2)。

　　與產生噪音時相同的原因，系統(tǒng)振動也將變大，尤其是5次、7次諧波成分所產生的脈動轉矩將給變頻器的轉矩輸出帶來較大波動，而系統(tǒng)也有可能因變頻器輸出轉矩的波動與機械系統(tǒng)發(fā)生共振并產生更大振動。
    由于諧波成分影響，即使帶同一負載和在同一頻率，變頻調速電動機電流也將增加5%~10%，電動機溫升也高于工頻電源驅動工況。另外，由于普通電機是通過安裝在電機軸上的冷卻風扇進行冷卻的，在連續(xù)低速運行時，將會因其自身冷卻能力不足而產生電機過熱現(xiàn)象。
　　3 系統(tǒng)設計配置時應采取的措施
　　對于起重機電控系統(tǒng)的設計，可靠性永遠是第一考慮的問題。
　　在接受變頻調速的大速比、起制動平滑柔和、優(yōu)良的動靜態(tài)調速特性時，必須顧及整機的性能。在進行系統(tǒng)設計前若不采取必要措施，而是在變頻驅動系統(tǒng)投運后發(fā)現(xiàn)問題，才匆忙采取對策，則不能徹底解決問題或者處理費用過高。設計時就考慮各種對策，才能達到防患于未然。
　　3.1 抑制電網電源波形畸變的措施
　　3.1.1 在各機構交流進線主回路串入扼流電抗器。通過增設的電抗器，可以減少脈沖狀電流波形的峰值，達到改善電流波形的目的。電抗器的選擇以電壓降在負載額定電壓的2%~5%為宜，例如電壓降為5%的電抗器，可降低約30%的高次諧波含有率。
　　3.1.2 在一次和二次回路中并接濾波器LC或RC，通過削波和由電抗電容組成的高次諧波共振電路，達到吸收諧波的目的。普通起重機從實用、降低成本起見，一般不采用有源濾波器。
　　3.1.3 盡量采用工程型PWM控制方式的整流電路。這種控制方式的電路與PWM控制方式的逆變電路結構相同，并能適當控制使變頻器的輸入電流波形近似成為正弦波，其產生的高次諧波成分非常小。但這種整流電路的缺點是電路結構復雜，成本高。
　　3.2 抑制電波噪聲的措施
　　3.2.1 對于通過電源線傳播的傳導噪聲，可采用隔離濾波變壓器，對高頻成分形成絕緣；在直流回路串接直流電抗器，以提高對諧波成分的阻抗；在變頻器輸入端串入線濾波器。
　　3.2.2 輻射噪聲主要決定于變頻器本身的防護結構和電動機電纜的布線等多種因素，抑制輻射噪聲比抑制傳導噪聲要困難。實施時應盡量縮短放線距離，并將導線對絞以減少阻抗;選用鑄殼金屬封閉結構的變頻器,并將殼體接地，將輸入輸出電纜穿管并接地；在變頻器輸出端設輸出電抗器和輸出濾波器。
　　3.3 降低系統(tǒng)噪聲的措施
　　3.3.1 采用低磁密、有鐵芯防竄措施、鑄鐵外殼的高剛性變頻電動機。
　　3.3.2 選擇低噪聲冷卻風扇和電抗器。
　　3.3.3 在變頻器和電機間串入可將輸出波形轉換為正弦波的正弦濾波器。
　　3.4 抑制系統(tǒng)振動的措施
　　3.4.1 起動時降低V/F比值。
　　3.4.2 將剛性連軸器改為彈性連軸器。
　　3.4.3 在變頻器和電機間接入電抗器。
　　3.4.4 改變PWM的載頻。
　　3.5 防止電動機過熱的措施
　　3.5.1 將電動機由自冷方式改為他冷方式。
　　3.5.2 選用大一檔容量電機。
　　3.5.3 提高電機的絕緣等級，以達到提高溫升上限值的要求。
　　3.5.4 改用變頻專用電機。
　　3.5.5 對電機運行范圍進行控制，避免連續(xù)低速工況。
　　4 結語
    交流變頻傳動在起重機上的使用已趨成熟，它的優(yōu)良調速、控制性能已被技術人員廣泛接受，但在廣泛使用中也要關注其負面影響，方能更安全、更可靠地使用。另外，目前起重機上使用的工程型變頻器都是從幾個發(fā)達國家直接或間接進口的，投用以后的售后服務、維修保養(yǎng)、故障應急處理、備品備件供應都嚴重制約著起重機的利用可靠性，也都增加了最終用戶的運行成本，這些也必須引起我國工程技術人員和業(yè)主的注意。