起重機(jī)變頻器對(duì)機(jī)上其它電氣設(shè)備的影響

關(guān)鍵字：起重機(jī) 變頻器 電氣設(shè)備
　　1 引言
　　交流變頻調(diào)速在起重機(jī)各機(jī)構(gòu)上已大量應(yīng)用，而變頻器整流電路和逆變電路中主要使用的是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)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(jī)上集成在一起的其它電氣設(shè)備帶來(lái)不同程度的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使這些電氣設(shè)備不能正常工作，甚至誤動(dòng)作，這樣會(huì)降低起重機(jī)整機(jī)的可靠性，危及設(shè)備和人身安全。
　　2 變頻器對(duì)其它電氣設(shè)備的影響種類(lèi)
    變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)面影響分三種。
　　2.1 引起電網(wǎng)電源波形畸變
    起重機(jī)上常用的電壓源型變頻器，其輸入電路一側(cè)是交-直流電源轉(zhuǎn)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(shí)際上是平滑電容的充電電流(見(jiàn)圖1)。由于存在內(nèi)部阻抗，當(dāng)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(duì)起重機(jī)主電機(jī)、抱閘推桿電機(jī)、接觸器、繼電器、直流電源等設(shè)備產(chǎn)生過(guò)熱、噪聲和振動(dòng)，影響它們的使用壽命與動(dòng)作準(zhǔn)確性。
　　2.2 產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電干擾電波(無(wú)線(xiàn)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(dòng)機(jī)平滑運(yùn)行并減少由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化和電流波動(dòng)引起的能量損失。但由于在采用PWM控制方式時(shí)逆變電路中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件以相當(dāng)高頻率(大于4MHz)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)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(dá)20MHz，并通過(guò)靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)而成為電波噪聲。電波噪聲包括傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲，前者通過(guò)電源導(dǎo)線(xiàn)傳播，后者由輻射至空中的電磁波和磁場(chǎng)直接傳播。
    傳導(dǎo)噪聲是由于輸出電壓高頻脈沖dV/dt造成的，它會(huì)使主電機(jī)絕緣惡化；會(huì)與機(jī)械軸系發(fā)生共振;會(huì)加大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸頭兩端、軸與軸承間的軸電壓，通過(guò)油膜放電使軸和軸承提前損壞。傳導(dǎo)噪聲可干擾PLC正常工作，可使負(fù)荷限制器誤差更大，使電子式接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)誤動(dòng)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(huì)對(duì)起重機(jī)通訊用的無(wú)線(xiàn)對(duì)講機(jī)、某些起重機(jī)無(wú)線(xiàn)遙控器、起重機(jī)無(wú)線(xiàn)吊鉤秤、司機(jī)室收音機(jī)和擴(kuò)音機(jī)以及電話(huà)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響其使用質(zhì)量和效果。
　　2.3 引起電動(dòng)機(jī)噪聲、顫振、過(guò)熱、扭矩降低等問(wèn)題
    變頻器輸出電壓波形不是正弦波，流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流也有許多高次諧波。電機(jī)在變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)繞組和鐵芯會(huì)因這些諧波而產(chǎn)生振動(dòng)和磁噪聲，一般與采用電網(wǎng)正弦波電源直接驅(qū)動(dòng)相比，變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)噪聲要大5~11dB(見(jiàn)圖2)。

　　與產(chǎn)生噪音時(shí)相同的原因，系統(tǒng)振動(dòng)也將變大，尤其是5次、7次諧波成分所產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩將給變頻器的轉(zhuǎn)矩輸出帶來(lái)較大波動(dòng)，而系統(tǒng)也有可能因變頻器輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)與機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振并產(chǎn)生更大振動(dòng)。
    由于諧波成分影響，即使帶同一負(fù)載和在同一頻率，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)電流也將增加5%~10%，電動(dòng)機(jī)溫升也高于工頻電源驅(qū)動(dòng)工況。另外，由于普通電機(jī)是通過(guò)安裝在電機(jī)軸上的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻的，在連續(xù)低速運(yùn)行時(shí)，將會(huì)因其自身冷卻能力不足而產(chǎn)生電機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象。
　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置時(shí)應(yīng)采取的措施
　　對(duì)于起重機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可靠性永遠(yuǎn)是第一考慮的問(wèn)題。
　　在接受變頻調(diào)速的大速比、起制動(dòng)平滑柔和、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速特性時(shí)，必須顧及整機(jī)的性能。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)前若不采取必要措施，而是在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，才匆忙采取對(duì)策，則不能徹底解決問(wèn)題或者處理費(fèi)用過(guò)高。設(shè)計(jì)時(shí)就考慮各種對(duì)策，才能達(dá)到防患于未然。
　　3.1 抑制電網(wǎng)電源波形畸變的措施
　　3.1.1 在各機(jī)構(gòu)交流進(jìn)線(xiàn)主回路串入扼流電抗器。通過(guò)增設(shè)的電抗器，可以減少脈沖狀電流波形的峰值，達(dá)到改善電流波形的目的。電抗器的選擇以電壓降在負(fù)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(guò)削波和由電抗電容組成的高次諧波共振電路，達(dá)到吸收諧波的目的。普通起重機(jī)從實(shí)用、降低成本起見(jiàn)，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(jié)構(gòu)相同，并能適當(dāng)控制使變頻器的輸入電流波形近似成為正弦波，其產(chǎn)生的高次諧波成分非常小。但這種整流電路的缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。
　　3.2 抑制電波噪聲的措施
　　3.2.1 對(duì)于通過(guò)電源線(xiàn)傳播的傳導(dǎo)噪聲，可采用隔離濾波變壓器，對(duì)高頻成分形成絕緣；在直流回路串接直流電抗器，以提高對(duì)諧波成分的阻抗；在變頻器輸入端串入線(xiàn)濾波器。
　　3.2.2 輻射噪聲主要決定于變頻器本身的防護(hù)結(jié)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)電纜的布線(xiàn)等多種因素，抑制輻射噪聲比抑制傳導(dǎo)噪聲要困難。實(shí)施時(shí)應(yīng)盡量縮短放線(xiàn)距離，并將導(dǎo)線(xiàn)對(duì)絞以減少阻抗;選用鑄殼金屬封閉結(jié)構(gòu)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(shè)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(dòng)機(jī)。
　　3.3.2 選擇低噪聲冷卻風(fēng)扇和電抗器。
　　3.3.3 在變頻器和電機(jī)間串入可將輸出波形轉(zhuǎn)換為正弦波的正弦濾波器。
　　3.4 抑制系統(tǒng)振動(dòng)的措施
　　3.4.1 起動(dòng)時(shí)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(jī)間接入電抗器。
　　3.4.4 改變PWM的載頻。
　　3.5 防止電動(dòng)機(jī)過(guò)熱的措施
　　3.5.1 將電動(dòng)機(jī)由自冷方式改為他冷方式。
　　3.5.2 選用大一檔容量電機(jī)。
　　3.5.3 提高電機(jī)的絕緣等級(jí)，以達(dá)到提高溫升上限值的要求。
　　3.5.4 改用變頻專(zhuān)用電機(jī)。
　　3.5.5 對(duì)電機(jī)運(yùn)行范圍進(jìn)行控制，避免連續(xù)低速工況。
　　4 結(jié)語(yǔ)
    交流變頻傳動(dòng)在起重機(jī)上的使用已趨成熟，它的優(yōu)良調(diào)速、控制性能已被技術(shù)人員廣泛接受，但在廣泛使用中也要關(guān)注其負(fù)面影響，方能更安全、更可靠地使用。另外，目前起重機(jī)上使用的工程型變頻器都是從幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家直接或間接進(jìn)口的，投用以后的售后服務(wù)、維修保養(yǎng)、故障應(yīng)急處理、備品備件供應(yīng)都嚴(yán)重制約著起重機(jī)的利用可靠性，也都增加了最終用戶(hù)的運(yùn)行成本，這些也必須引起我國(guó)工程技術(shù)人員和業(yè)主的注意。