起重機(jī)變頻器對機(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)備帶來不同程度的影響，嚴(yán)重時會使這些電氣設(shè)備不能正常工作，甚至誤動作，這樣會降低起重機(jī)整機(jī)的可靠性，危及設(shè)備和人身安全。
　　2 變頻器對其它電氣設(shè)備的影響種類
    變頻器產(chǎn)生的高次諧波對其他電氣設(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際上是平滑電容的充電電流(見圖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)生過熱、噪聲和振動，影響它們的使用壽命與動作準(zhǔn)確性。
　　2.2 產(chǎn)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(jī)平滑運行并減少由于電動機(jī)轉(zhuǎn)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(dǎo)體開關(guān)器件以相當(dāng)高頻率(大于4MHz)進(jìn)行開關(guān)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(dá)20MHz，并通過靜電感應(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，前者通過電源導(dǎo)線傳播，后者由輻射至空中的電磁波和磁場直接傳播。
    傳導(dǎo)噪聲是由于輸出電壓高頻脈沖dV/dt造成的，它會使主電機(jī)絕緣惡化；會與機(jī)械軸系發(fā)生共振;會加大電動機(jī)轉(zhuǎn)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(dǎo)噪聲可干擾PLC正常工作，可使負(fù)荷限制器誤差更大，使電子式接近開關(guān)、光電開關(guān)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(jī)通訊用的無線對講機(jī)、某些起重機(jī)無線遙控器、起重機(jī)無線吊鉤秤、司機(jī)室收音機(jī)和擴(kuò)音機(jī)以及電話機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響其使用質(zhì)量和效果。
　　2.3 引起電動機(jī)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(jī)的電流也有許多高次諧波。電機(jī)在變頻調(diào)速運行時，電機(jī)繞組和鐵芯會因這些諧波而產(chǎn)生振動和磁噪聲，一般與采用電網(wǎng)正弦波電源直接驅(qū)動相比，變頻器驅(qū)動的電動機(jī)噪聲要大5~11dB(見圖2)。

　　與產(chǎn)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(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩將給變頻器的轉(zhuǎn)矩輸出帶來較大波動，而系統(tǒng)也有可能因變頻器輸出轉(zhuǎn)矩的波動與機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振并產(chǎn)生更大振動。
    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)速電動機(jī)電流也將增加5%~10%，電動機(jī)溫升也高于工頻電源驅(qū)動工況。另外，由于普通電機(jī)是通過安裝在電機(jī)軸上的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻的，在連續(xù)低速運行時，將會因其自身冷卻能力不足而產(chǎn)生電機(jī)過熱現(xiàn)象。
　　3 系統(tǒng)設(shè)計配置時應(yīng)采取的措施
　　對于起重機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計，可靠性永遠(yuǎn)是第一考慮的問題。
　　在接受變頻調(diào)速的大速比、起制動平滑柔和、優(yōu)良的動靜態(tài)調(diào)速特性時，必須顧及整機(jī)的性能。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計前若不采取必要措施，而是在變頻驅(qū)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(shè)計時就考慮各種對策，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)線主回路串入扼流電抗器。通過增設(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(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 對于通過電源線傳播的傳導(dǎo)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(hù)結(jié)構(gòu)和電動機(jī)電纜的布線等多種因素，抑制輻射噪聲比抑制傳導(dǎo)噪聲要困難。實施時應(yīng)盡量縮短放線距離，并將導(dǎo)線對絞以減少阻抗;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(jī)間接入電抗器。
　　3.4.4 改變PWM的載頻。
　　3.5 防止電動機(jī)過熱的措施
　　3.5.1 將電動機(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，以達(dá)到提高溫升上限值的要求。
　　3.5.4 改用變頻專用電機(jī)。
　　3.5.5 對電機(jī)運行范圍進(jìn)行控制，避免連續(xù)低速工況。
　　4 結(jié)語
    交流變頻傳動在起重機(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發(fā)達(dá)國家直接或間接進(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的運行成本，這些也必須引起我國工程技術(shù)人員和業(yè)主的注意。