变频器在调速节能及提高生产工艺方面的优势介绍

1 前言

本文以变频器在用户当中的使用为例，结合笔者在用户安装调试过程中所遇到的一些问题，粗略的谈一下变频器的安装与调试问题，以供广大的变频器用户在使用时参考。

2　变频器的安装及使用条件

正象其他的电器设备或装置一样，变频器作为一种电力电子设备，同样有其严格的使用条件和应用场合，任何违反产品使用规范的安装及使用，都将是非法的，不可避免的会带来设备及人、财、物的损失。

2.1　变频器的使用环境及注意事项

2.1.1　变频器要求的工作环境

(1)工作环境温度-10℃～+40℃，工作环境的变化应不大于±5℃/h。

(2)相对湿度：空气的最大相对湿度不超过90%，每小时相对湿度的变化率不超过5%且不得出现凝露。

(3)运行地点无导电或爆炸尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽。

(4)变频器安装地点所允许的振动条件：

振动频率10～150hz，振动加速度不大于5m/s2，当变频器由于安装台基振动可能产生共振时，应对变频器采取减振措施，以避开共振频率。

(5)交流输入电源

电压持续波动不超过±20%。

频率波动不超过±2%，频率变化每秒不超过±1%。

三相电压的不平衡度：负序分量不超过正序分量的5%;

电源谐波成分：电压相对谐波含量的均方根值不超过10%。

(6)海拔高度：不超过1000m。

2.1.2　注意事项

(1)非专业人员不可开盖开柜门使用或检测;

(2)变频器出厂前已作过耐压试验，用户不可也没有必要再对变频器进行耐压试验;

(3)电动机上不可并接改善功率因数用的大电容;

(4)外壳可靠接地;

(5)不可将三相输入改成两相输入，否则会出现缺相保护;

(6)低频运行时要考虑电动机自带风扇效果，润滑效果情况，高频运行时要考虑轴承的承受能力。

这些阐述了变频器安装的最基本的规则。要深刻理解和熟悉这些规则。

2.2　安装前的准备工作

要安装好一台变频器，使它能正常的运行，达到技术及工艺要求，除了满足上述基本规则外，还应注意以下几点：

(1)安装前首先要熟悉和掌握生产工艺及技术要求，弄清楚其负载状况，了解变频器在系统中的作用和地位，是要求节能，还是改进生产工艺，还是二者兼之。某些场合并没有节能空间，而硬要求变频器节能，这是不妥当的。

(2)变频器带的负载从电气方面而言首先是电机，因此安装前首先要对现场的电机有比较清楚的理解，包括额定电压、额定电流、电机极数、额定功率等，安装的变频器必须与之相匹配，有些特殊场合，如负荷较重、海拔超过1000m(即超过标准海拔高度)、煤矿提升机变频器等，变频器要比负载电机高出一个甚至两个功率等级，一般不允许变频器比负载电机功率等级低，以免变频器超负荷运行而带不动或经常过载保护，造成不必要的麻烦。

(3)电机的电气绝缘安装前必须进行检测。绝缘不好的电机不能安装变频器。因为变频器虽然设有短路保护，但瞬间的接地也可能造成某些变频器的损坏。

(4)安装前应仔细阅读变频器的使用说明书，结合现场工艺要设置哪几个参数，参数的设置方法等，要熟练掌握。

(5)对于某些场合，特别是要求自动控制的而需要附属配件的，如供水用的压力表、传感器、压力变送器及一些配套设施，如pid调节仪、温控仪、定时钟等，有些还需要远控装置，也要熟练掌握。以期能快速的安装、调试到位。

(6)要严格按照变频器的使用说明书进行配线，包括主线和控制线，某些情况只能高于说明书要求的规格而不能低于。需要压接接线鼻的地方，要严格按要求压接，规格和工艺要符合标准。[p]

(7)在现代工业控制比较复杂的情况下，还要考虑电磁兼容性问题，要考虑变频器的干扰与抗干扰，必要时加装电磁滤波装置。有些场合电机距离变频器可能较远，要考虑加装输出电抗器及滤波器。

(8)对于位能负载，如煤矿主井绞车、提升机、电梯类，由于存在再生发电状态，要考虑加装制动单元和配套的制动电阻，防止变频器过压保护或损坏。

以上这些问题都是我们在安装变频器之前要了解和掌握的，不熟悉这些内容，就可能造成变频器的安装或调试不顺利或根本不成功，造成设备损坏或不能正常使用，这是我们要切记的。

3　中压变频器的安装与调试

这里所说的中压变频器，是指电压等级从750v～2300v的变频器，分为两个电压级别，1140v和2300v两种类型的变频器。这种类型的变频器负载一般都是油田上用的潜油电泵，1140v的还有用于抽油机的。我们简要说一下安装调试方法。

3.1　安装步骤

(1)接控制线

确认原工频工作时的工作状态，首先要了解潜油电泵的工作过程。

潜油电泵是一种深置于井下1000m—3000m的电泵，由于电缆线较长，地面上的供电设备要能补偿这部分电缆损耗，因此原工频装置要提供比电机额定电压高出100—300v的供电电压。

电泵及电缆都是高温、高压的设备，在安装前都要进行绝缘测试。用2500v的兆欧表测试，绝缘电阻不应低于50mω。

要检测原来的工频供电的电压及工作电流，以便调试时参考。

由于油田上潜油电泵下泵的深度不同，潜油电泵供电的电压就有所不同。因此对应于同一电压等级的变频器而言，就有不同的电压输入，变频器的控制电压就有所不同。为了解决这一问题，笔者在变频器内部安装了一个变压器，对应于不同的电压输入，电压输出都是一样的。对于这类变频器，其输出都只有220v、110v、380v三组电压。220v是给控制电路供电的，110v是给电机保护仪供电的，380v是给电压表供电的。其控制接线如图2示。

因此要根据原来的供电电压选择合适的控制电源接线端子，将原出厂时空出的两根接线或接在电压最高端(出厂时按最高电压试验)的两根线接在原电压等级的端子上，因有两个变压器，都要进行改接。如图3示。

(2)接主线

按配线规格，将电源线接在变频器的三相输入(或标记r、s、t)端子上，电机线接在变频器的三相输出(或标记u、v、w)端子上，地线接在变频器上标有“⊥”的端子上。并将相应的罗栓拧紧。

3.2　调试

(1)将柜门上的隔离开关拉下，并将柜门上的“变频启动”按扭旋开，使其呈断开状态。提示送电后，用mf—47型或500型万用表的高压挡“2500v”档测量三相输入电压(一定注意安全)，应在规定的范围内，并三相相互平衡，若不正确，应停电检查供电电源。

(2)电源正常后，合上隔离开关闸刀，用万用表检测控制电源的220v电压(测量里面的接线插盒即可)是否在规定的范围内，按其±20%的波动，应在220v±20v范围内，若超出此范围，应拉下高压隔离开关的闸刀，调整控制变压器的接头，直至满足要求为止。[p]

(3)用一个单相插头取一根线接在控制端子排的“c”端子上，另一头的两相插在接线盒上(老机型一根线接在“c”上，另一根线接在“d”上)，合上隔离开关闸刀，变频器应能送上控制电，面板上显示“43.21”过几秒钟“pro”灯亮(新机型)，或只有“pro”灯亮(老机型)，若不显示可将插头反过来重新插一下即可。

(4)面板显示正常后，可检查变频器的控制功能是否正常。用万用表检测延时可控硅两端的电压(即延时电阻上的电压)，应在1.00v左右。将变频器的“开/停机”开关打在“开机”位置，变频器应能开机，调节“频率调节”旋扭，变频器频率应从“2.00”升至“50.00”。用万用表测量变频器的三相输出端子(这时应从变频器一侧测量，因柜子并没有接通主电，变频器的主接触器没有吸合)，三相电压应相互平衡，对中线也应相互平衡。电压大致是2300v等级的三相电压为15v左右，对中线为10v左右;1140v等级的三相电压为9v左右，对中线为5v左右。若不平衡，应检查柜子在运输过程中有无掉线或其他问题，直至电压完全平衡为止。

(5)运行参数的设定。这包括变频器参数和电机保护仪参数的设定两步。

变频器参数的设定。因变频器出厂时一般是按2300v/125kw或1140v/75kw而设计的，因此应根据现场负载的要求重新设定，包括额定电流、过载保护电流，其他参数一般不需要修改。

电机保护仪的参数设定。电机保护仪的参数包括欠载电流、过载电流、欠压设定、过压设定等。这里说明一下。因潜油电泵是深置于油井下油层里的电泵，在运行中靠油的循环来散热。一旦井供液不足，电机将脱离油层运转，电机将干转，这样就很容易烧毁电泵。因此应设定欠载保护，当运行电流低于额定电流的80%时，就停止电机的运行，起到保护电机的作用。

参数的设定方法可参照相应的说明书进行，主要有两种，bk-3型和bk—j1型。

bk—3型的方法是：在显示器显示“p”(刚送电或按四次“上档”键)时，可对参数值进行修改。根据需要的数值，按相应的数字键，再按“上档”或“下档”键，最后按相应的功能键，即可完成参数值的修改。

bk—ji形的方法是：在就绪画面(刚送电或按四次“上档”键)状态下，按一次“上档”键，再按一次“整定值”键，屏幕显示整定值操作画面。画面上有光标闪烁，在光标闪烁位置可输入相应的数据。按“移动”键，光标可上下移动，屏幕右上角的箭头(“↑”或“↓”)指出当前的移动方向。按“上档”、“方向”键可以改变箭头的方向。输入完毕后，应按四次“上挡”键保存修改结果。如图4、5所示。

有些井可能本身供液不足，需要降低频率运行，因此可根据具体情况，在泵运行起来后，再根据实际运行电流重新设定参数。

(6)带载运行

参数设定好后，就可将插盒上的插头拔下，并将外接的“c”(或者“c”、“d”两点)点上的线拆掉，就可以带载运行了。

将柜门上的“变频启动”按扭按下，待设定的延时时间到后，机内接触器吸合，变频器显示“43.21”并且“pro”亮(新机型)或只有“pro”亮(老机型)，将变频器上的“开停机”开关打在“开机”位置，变频器即可从最低频率逐渐上升，调节“频率调节”旋扭，使频率先升至30hz，用卡流表测量三相输出电流，应基本平衡，不平衡度不应超过20%。然后再升至用户要求的频率。再用卡流表测量输入、输出电流，三相都应基本平衡。[p]

若在调节过程中出现频率不上升的情况，即调整频率调节旋扭时，频率不上升，输出电流持续增大，呈限速保护状态，直至过流保护，这可能是低频补偿不足造成，可调节主控板上的补偿电位器(老机型)或通过设定变频器的参数“低频补偿”(新机型)予以解决。调整时注意只要输出电流下来，频率能升上去即可，也不可调整过大，以免过补偿，在运行过程中电流过大而使电机及变频器超电流而不正常运行。

正常运行后，可根据运行电流对电机保护仪的参数重新调整一下，以达到可靠保护又能正常运行的状态。

对电机的正反转要确认。根据经验，一般情况下，正转比反转电流大，井口的压力指示高。反转一般压力表指针不起。有的井上油慢，要等一段时间才能确定。

由于本变频柜还设有工频备用，以便在变频出问题时能临时投入工频，不耽误生产的进行，因此变频正常后还应试一下工频运行，其正反转也应调试正常。正反转调整时，变频调输出，工频调输入，即可使工变频都正常运行。

调整完后，用变频运行，正常后，启动电机保护仪，保护仪显示正常后，旋开“变频启动”旋扭(投入电机保护仪保护，不旋开不起作用)，柜子上的各种仪表指示都正常，调试即完毕。

4　低压变频器的安装调试

低压变频器由于所带的负载种类繁多，类型千差万别。因此安装调试相应的也有较大的区别。

低压负载从使用变频器的角度来说大体可分为有惯量和无惯量两种，有惯量负载最显著的特征就是在快速停机时存在发电状态，如何处理这部分能量将是关乎变频器是否正常运行的关键。

4.1　安装

变频器初次安装或长期放置后使用，应先对其进行全面的检查。方法如下：

(1)外观检查，检查有无碰伤损坏，金属部分有无锈蚀，有无结霜凝露。若有结霜凝露，则应烘干4小时(60℃)，或在室温下通风放置24小时。

(2)对于小功率变频器，轻轻翻动机箱，注意机箱内有无异常声音，若有异常声音，则应打开机箱，寻找并排除其中的异物。

(3)功率比较大的变频器，则应打开外壳，检查一下在运输或储存过程中有无掉下的线头或颠簸松动的螺栓，若有应重新焊接或紧固。

这里要注意几点：

变频器的安装应符合前面要求的工作环境。

变频器有壁挂式的，有柜式的，一定要安装稳固，保证工作过程中的安全性。为了通风散热的需要，变频器一定要垂直安装。如图6、7所示。

对于柜式结构，为了工作人员便于操作和散热的要求，周边要留有足够的空间：前面间距不小于1.5m，后面和侧面不小于1m。

对于壁挂式的，变频器周围也应留有足够的散热空间，变频器的上部距离房间顶部至少1m，下部距地面也至少要1m的距离，才能使变频器通风顺畅，保证可靠的运行。

有的房间密封比较严，要配合用户安装排风扇或空调。有些场合环境比较脏、潮湿，要注意采取隔离措施，防尘、防潮。

当一台控制柜内装有两台或两台以上变频器时，应尽量并排安装(横向排列)。如必须采用纵向排列时，则应在两台变频器间加一块搁板，以避免下面变频器出来的热风进入到上面的变频器内。如图8所示。

4.1.1　主电路的接线

4.1.1.1　基本接线

主线的安装比较简单。将电源线接在变频器的输入(或标记有r、s、t的)端子上，将电机线接在变频器的输出(或标记有u、v、w的)端子上，并将变频器的接地端子通过地线可靠接地。如图9所示。[p]

注意：

(1)变频器的输入端和输出端绝对不允许接错。万一将电源进线错误的接到了输出端上，则不论哪个逆变管导通，都将引起两相间的短路而将逆变管迅速烧坏。如图10所示。

(2)前面的断路器一般是需要安装的，主要是分断电路用。当变频器出现故障时，尤其是整流电路或主电路损坏时，大电流能及时使断路器跳闸，与网电的其他电路脱开，避免影响其他电路。

(3)线头压接要可靠。一般使用容量相当的接线鼻压接。一定要压紧，避免大电流长期运行出现过热而烧毁接线或端子。

4.1.1.2　线径的选择

一般按电动机的接线要求的线径选择，特殊场合要选大一规格的，尤其是电机距离变频器较远的，本着宜大不宜小的原则选配。

4.1.1.3　接地

每台变频器都有一个专门的接地端子“e”或“⊥”，用户应将此端子与大地可靠连接。

当变频器和其他设备，或有多台变频器一起接地时，每台设备都必须分别和地线相接，不允许将一台设备的接地端与另一台设备的接地端相接后再接地。如图11所示。

4.1.2　控制电路的接线

变频器主接线完成后，变频器可以运行。但一般情况下，由于控制及监测的方便，都需要将变频器的操作及显示部分引到方便的地方。有的是现场环境较差，变频器不宜安装，而安装于环境较好的配电室内，而将控制部分引到现场。有的如提升机变频器，控制部分需要与原系统对接，也需要将控制线引出。

控制线分模拟量和数字量。

4.1.2.1　模拟量

主要包括：输入侧的给定信号线和反馈信号线;输出侧的频率信号线和电流信号线。

模拟量信号线的抗干扰能力差，必须使用屏蔽线。屏蔽层的靠近变频器的一端，应接控制电路的公共端，但不要接到变频器的地端(e)或大地，屏蔽层的另一端应该悬空，如图12所示。

布线的原则应当遵守：

(1)尽量远离主电路100mm以上。

(2)尽量不和主电路交叉。必须交叉时，应采取垂直交叉的方式。

4.1.2.2　开关量。

如启停、点动、多档转速控制等的控制线，都是开关量控制线。

一般说来，模拟量控制线的接线原则也都适用于开关量控制线。但开关量的抗干扰能力强，故在距离不很远时，允许使用非屏蔽线，但同一信号的两根线必须互相绞在一起。

4.2　调试

变频器的调试并没有固定的模式，大体上可分为“先空载，继轻载，再重载”几个步骤。

4.2.1　空载检查及参数预置

风光变频器可以在不接通主电源，而只接控制电源的情况下，检查变频器。而其他类变频器则没有这个方便。

小功率变频器可以把主接线端子排上的短路片去掉，给三相输入送380v的电源，大功率变频器一般都有控制电压输入端子，可从这儿用一两芯电缆接人380v单相电源检查变频器(注意：接之前应将两端子上与三相输入相连的两根线去掉)，参照说明书，熟悉各个键盘的使用及参数的设置方法。

熟悉完后，变频器开机，频率升至50hz，用万用表(最好用指针式)测量三相输出，电压应该完全平衡。

检查完后，停电，小功率的将拆下的短路片上回原处(注意上之前主回路上短路片的两个端子要放电)。大功率的应将控制端子的两根外接线去掉，并将原来的接线恢复。

变频器的三相输出先不接电机线，给变频器的三相输入通入380v的电源，观察变频器空载运行情况。其他类变频器也可按这个步骤进行。

(1)熟悉键盘，即了解键盘上各键的功能，进行试操作，并观察显示的变化情况。

(2)按说明书要求进行“启动”、“停止”等基本操作，观察变频器的工作情况是否正常，同时进一步熟悉键盘的操作。[p] [p]

过载试验可按负载可能出现的过载情况及持续时间进行试验，观察拖动系统能否继续工作。

调整完后，变频器正式负载运行，一般应观察两小时以上，保证可靠工作。

以上这些是变频器调试的最基本的步骤。在变频器调试过程中，还可能遇到各种各样的情况。如变频器的干扰和抗干扰，功率因数的补偿，闭环的运行等，都要通过具体的实践来逐步掌握。

4.2.3　闭环运行

这里再谈谈闭环运行。它是变频器的最主要的一个功能。许多场合只有通过闭环运行才能体现出自动控制的优点。

(1)闭环系统的原理

闭环运行就是选取拖动系统的某一个物理量(如温度、压力、张力、液位等)，在某一点(该点对整个系统的运行应具有关键作用或带有普遍性)用相应的传感器或变送器(如热电偶、远传式压力表、温度变送器、压力变送器、张力传感器等)检测后送到pid调节仪上，与系统的期望值(可在pid上设定)进行比例、积分、微分的运算处理，然后送到变频器的频率输入端子，来调节变频器的频率，进而调节电机的转速，使整个拖动系统处于自动调节、稳定运行的状态。

系统的检测值称为反馈信号，期望值称为给定信号，或目标信号，系统的调节过程就是这两个信号反复地比较、运算，使其尽量接近的过程。这里以恒压供水为例介绍一下。如下图13所示。

图中水泵电机由变频器vvvf供电。sp是压力传感器，检测管道上的压力，也可以用压力变送器，远传式压力表等，由变频器供给其电源+24v或+5v。它检测到管道压力后变换成4—20ma电流或0—5v的电压信号反送给变频器。

将变频器设定为pid有效后，变频器有两个模拟信号输入端子：

目标信号输入端。即给定端vrf。是一个与压力的控制目标相对应的值。有变频器上的电位器进行设定。也可以由键盘直接给定。当采用专用的pid控制仪时，由专用的sv设定窗口设定。它除了和所要求的压力的控制目标有关外，还与压力变送器sp的量程有关，设定时要与相关的量程相当。

反馈信号输入端。即辅助给定端vpf。它接受从压力传感器sp反馈回来的信号。

(2)控制的过程

设：xt为目标信号，其大小与所要求的管道压力相对应。xf为压力变送器的反馈信号。则变频器输出频率fx的大小有合成信号(xt—xf)决定。

如管道压力p超过了目标值，则xf》xt→(xt—xf)《0→变频器的输出频率fx↓→电动机转速nx↓→管道压力p↓→直至与所要求的目标压力相符(xt≈xf)为止。

反之，如管道压力p低于目标值，则xf《xt→(xt—xf)》0→变频器的输出频率fx↑→电动机转速nx↑→管道压力p↑→直至与所要求的目标压力相符(xt≈xf)为止。

上述过程存在着一个矛盾：一方面，我们要求管道的实际压力(其大小与xf成正比)应无限接近于目标压力(其大小与xt成正比)，就是说，要求(xt—xf)→0;另一方面，变频器的输出频率fx又是由xt和xf相减的结果来决定的，可以想象，如果把(xt—xf)直接作为给定信号xg的话，系统将是无法工作的。

如何解决上述问题，这就引出了pid的用法。

(1)比例(p)环节解决上述问题的方法是：将(xt—xf)进行放大后再作为频率给定信号，即：

xg=kp(xt-xf)

式中kp——比例增益(即放大倍数)。

上述关系如14图所示。由于xg是(xt--xf)成比例地放大的结果，故称此环节为比例环节。显然，kp越大，则：

(xt-xf)=xg/kp

越小，xf越接近于xt。这里，xf只能是无限接近于xt，却不能等于xt。就是说，xf和xt之间总会有一个差值，通常称为静差，用ε表示，静差值应该越小越好。[p]

比例增益环节的引入，又出现了新的矛盾：为了减小静差，应尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，因此，kp太大了，又容易引起被控量(压力)忽大忽小，形成振荡。如图15所示。

(2)积分(i)环节引入积分环节的目的是

使给定信号xg的变化与乘积kp(xt-xf)对时间的积分成正比。就是说，尽管kp(xt-xf)一下子增大(或减小)了很多，但xg只能在“积分时间”内逐渐的增大(或减小)，从而减缓了xg的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，xg的变化越慢。

只要偏差不消除，(xt-xf≠0)，积分就不停止，从而能有效的消除静差。如图15所示。

但积分时间太长，又会发生在被控量(压力)急剧变化时，被控量(压力)难以迅速恢复的情况。

(3)微分(d)环节微分环节的作用是：可根据偏差的变化趋势，提前给出较大的调节动作，从而缩短调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。如图15所示。

变频器一般在内部都设定了简单的pi调节器。这对于较简单的闭环控制，如供水、简单的风压控制，可以满足要求。但对于较复杂的控制场合，如空压机、空调、离心风机闭环，温度，液位等，一般都要加专用的pid调节仪才能得到较好的控制。pid调试时，要参照对应的说明书，仔细的调整各个参数，以期达到最佳的运行效果，使系统能自动的、稳定的运行。

5　结束语

本文在自己多年从事变频器安装调试的基础上，粗略的谈了下变频器最基本的安装调试方法，以及在安装调试过程中一些简单问题的处理方法。目的是总结自己的经验，并与业界同仁相互交流，共同探讨变频器的使用方法，以期更好的发挥变频器的强大作用，更好的服务于广大的工矿企业用户。同时也为变频器的使用者提供一份不太成熟的手册似的工具。当然，随着控制系统的复杂，越来越多的先进的控制方法正不断应用于工控系统，如plc、dcs控制、工控机等，因篇幅有限，这里不能一一陈述，还望读者海涵。因本人能力有限，文章中的缺点和错误也在所难免，望广大的同行不吝指教。现在随着我国国民经济的发展，节能降耗已成为殛待解决的问题，相信我们所从事的行业必将成为国家节能降耗的最直接的手段，为国民经济的发展付出自己的努力。