正弦波滤波器在变频器长距离控制中的应用

1、正弦波滤波器在变频器长距离控制中的应用叶先健 李锋重庆弛源化工有限公司摘要：本文介绍了负载与变频器之间因控制距离超过300米，而出现的无法启动、报警等故障现象。围绕解决以上故障现象进行了相关的分析，确定了加装正弦波滤波器的实施方案，对加装的意义、作用和选型进行了分析对比。为变频器长距离控制设计、维护提供了参考依据。关键词： 变频器 滤波器 长距离1.概述建峰工业集团弛源化工聚四氢呋喃项目电气专业在调试阶段出现了部分现场需变频控制的电机因变频器至电机之间的距离过长（超过300米），变频器在启动中出现过流、失压等报警，电机运行声音不稳定等情况。造成设备无法启动和运行性能下降，通过对比多种解决方案，

2、最后确定了增加正弦波滤波器的解决方案，方案实施后有效的解决了以上故障。2.故障现象 聚四甲醛装置37%碱液泵电机型号为YB2-801-4WF1，功率0.37KW,转速1480r/min。变频器使用的是丹弗斯FC302系列。在安装完毕进行单体调试时，变频器报过流故障代码，电机无法启动。同样情况也出现在乙炔焚烧炉装置，该装置共有变频电动机六台，功率有185KW 1台、160KW 3台、15KW 2台，虽然电机能启动运行，但是电动机运行有明显的电磁声音，温升也较相同功率的电机温度高10度左右，变频器运行声音不正常，振动较大。3.故障原因及危害分析3.1故障原因针对以上故障现象，我们对电机本体和变频器

3、以及控制回路的电气元件进行全面检查，均未发现异常。但是将电机移至变频器柜旁进行试车，电机却能运行正常，以上异常现象全部消除。通过查阅变频器说明书，FC302最大允许变频器至电动机的电缆长度是屏蔽电缆150M，非屏蔽电缆300M，而甲醛装置37%碱液泵与变频器距离有372米。焚烧炉装置电机与变频器之间的距离更是达到了455米、440米和530米。 变频器出现变频器在启动中出现过流、失压等报警，电机运行声音不稳定等情况均为变频器至电机的动力电缆距离较长，超过了变频器设计控制范围造成的。变频器与电机之间的动力电缆过长导致分布电容增大。所谓分布电容，就是指由非电容形态形成的一种分布参数。而变频器输出距

4、离受限的问题，和电缆的分布电容有密切关系，不只是电容器才有电容，实际上任何两个绝缘导体之间都存在电容。通常情况下，这个电容值很小，电缆长度较短时，它的实际影响可以忽略不计，如果电缆很长或传输信号频率很高时，就必须考虑分布电容的作用。在电缆远距离敷设系统中，电缆的电容会表现的较为明显，对控制回路产生一定的影响，甚至影响控制功能，特别是对于变频器控制普通低压电机的控制回路（小功率的尤为明显），故障较多表现为过流、起停失灵等现象，给生产和维护造成很大的安全隐患。3.2对变频器的危害动力电缆过长导致输出线上的分布电容和分布电感的共振产生浪涌电压，将会叠加到输出电压上，晶体管、igbt的开关频率越高，电

5、缆越长，产生的浪涌电压越高，最高时，可产生直流电压的两倍的浪涌电压。这种情况下，很容易引起过压过流保护，甚至击穿功率模块。3.3对电动机的危害由于变频器采用pwm脉宽调制技术，变频器中的功率开关器件工作在开关状态，器件的高速开关动作使得电压和电流在短时间内发生跳变，这使得电压、电流波形中含有谐波成分，其中高次谐波会使变频器输出电流增大，造成电机绕组发热，产生振动和噪声，加速绝缘老化，还可能损坏电机。同时各种频率的谐波会向空间发射不同频率的无线电干扰，可能导致其它设备误动作。4.四种解决方案分析对比4.1缩短控制距离缩短变频器至电动机之间的电缆距离是解决以上问题最直接的方法。但是配电室变频器和现

6、场电机都是固定了的，电缆也不可能随意布设，必须沿着桥架敷设，故缩短电缆的方法不可行。还有就是将变频器布置在电动机附近，但是对于聚四项目这种EXdCT4和EXdBT4高危险等级的爆炸区域来说，现场设置防爆控制柜的成本比较高，需考虑变频器的散热和现场操作控制，且将变频器设置在现场必须将控制柜制作成正压通风型，需增加相应的正压通风设备和相关的管线，综合考虑防爆和相应的安全因素，现场设置防爆柜的方案也不可行。4.2调整载波频率.变频器的载波频率就是决定IGBT的开通与关断的次数的频率。它主要影响以下几方面：4.2.1载波频率对变频器自身的影响功率模块IGBT的功率损耗与载波频率有关，载波频率越大，变频

7、器的损耗越大，输出功率越小，功率模块发热增加。如果环境温度高，逆变桥上下两个逆变管在交替导通过程中的死区将变小，严重时可导致桥臂短路而损坏变频器。4.2.2载波频率对变频器输出二次电流的波形影响当载波频率越高时，则电压波的占空比越大，电流高次谐波成份越小，即载波频率越高，电流波形的平滑性越好。这样谐波就小，干扰就小，反之就差;载波频率越高，变频器允许输出的电流越小;载波频率越高，布线电容的容抗越小，由高频脉冲引起的漏电流越大。4.2.3载波频率对电机的影响当载波频率过低时，电机有效转矩减小，损耗加大，温度增高，同时输出电压的变化率dv/dt增大，对电动机绝缘影响较大;当载波频率过高时，电机的振

8、动减小，运行噪音减小，电机发热也减少，但是谐波电流的频率增高，电机定子的集肤效应更严重，电机损耗增大，输出功率减小。4.2.4载波频率对其它设备的影响载波频率越高，高频电压通过静电感应，电磁感应，电磁辐射等对电子设备的干扰也越严重。从以上四点可以看出，调整载波频率不能有效解决现状所带来的危害。4.3加装电抗器一般情况加装输出电抗器可以缓解控制距离过长的问题，因为输出电抗器可以补偿电机长电缆运行时的耦合电容的充放电影响，避免变频器过流。但是我们选用的丹弗斯F302系列变频器本身就自带了两个输出直流电抗器，这也是为什么丹弗斯变频器能在300米范围内控制电机而其他品牌的变频器只有150米左右的控制距

9、离的原因。控制距离超过300米，加装电抗器也不能有效解决变频器和电机出现的问题。4.4加装正弦波滤波器正弦波滤波器是用在变频器输出端，它可以改善变频器输出波形，使变频器的输出电压和电流近似于正弦波，减少电机谐波畴变系数和电机绝缘压力。与输出电抗器、dv/dt滤波器相比较，正弦波滤波器末端有一级电容滤波电路，使变频器输出波形接近正弦波。综合分析以上四种方案，加装正弦波滤波器是最佳的解决方案。5.正弦波滤波器的安装与效果5.1正弦波滤波器电气连接图5.1正弦波滤波器安装比较简单，变频器的输出U,V,W(96,97,98)端子接入正弦波滤波器U1,V1,W1(U,V,W);正弦波滤波器的U2,V2,

10、W2(X,Y.Z)接电机。如图5.1所示。5.2正弦波滤波器效果对比丹佛斯正弦波滤波器是专用于FC系列变频器的，是由电感（L）和电容器(C)组成的低通滤波器，正弦波滤波器减小了电机绝缘冲击并消除了电机的电磁噪声。同时还减小了对轴承的冲击，对50KW以上的大型电机尤其如此。如图5.2和5.3所示，电机使用了正弦波电压供电，因此减小了电机损耗。安装后的电机噪音也明显减小，如图5.4和5.5。1 器图5.2变频器不带正弦波滤波器图 图5.3变频器带正弦波滤波器的电压和电流波形 的电压和电流波形图5.4不带正弦波滤波器电机噪音 图5.5带正弦波滤波器电机噪音6.安装注意事项还需注意的是在选择正弦波滤波

11、器的时候要根据正弦波滤波器的选型不应小于变频器额定电流的原则。还需考虑在50HZ及以下时，具备160%过载能力（每10分钟过载1分钟），高于50HZ运行，或者环境温度高于45度正弦波滤波器需降容使用。安装正弦波滤波器后，还需对变频器进行重新设置，即14-00（开关模式）: SFAVM；14-01(开关频率)：4KHZ；14-55(输出滤波器选择)：正弦波滤波器；14-56（输出滤波器电容值）和14-57（输出滤波器电感值）根据电机功率和滤波器铭牌进行修改。正弦波滤波器的电容通过传动放电。断开电源5分钟后才能对滤波器进行操作。正弦波滤波器必须牢靠接地。7.结束语工业生产中的变频器控制越来越多，在遇到变频器与电机之间距离超过150米（国产品牌），300米（丹弗斯F302系列）甚至更长的时候，加装正弦波