起重机变频器对机上其它电气设备的影响

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1 引言
       交流变频调速在起重机各机构上已大量应用，而变频器整流电路和逆变电路中主要使用的是半导体开关器件，其输入输出的电压和电流中除了基波成分外还含有一定的高次谐波，这些高次谐波将给起重机上集成在一起的其它电气设备带来不同程度的影响，严重时会使这些电气设备不能正常工作，甚至误动作，这样会降低起重机整机的可靠性，危及设备和人身安全。
2 变频器对其它电气设备的影响种类
. `" J$ t2 w9 Z3 u5 @0 ]' o) I! k8 k$ I3 |       变频器产生的高次谐波对其他电气设备产生的负面影响分三种。
2.1 引起电网电源波形畸变
& F$ P4 W1 X3 p  e; j6 E' w" L       起重机上常用的电压源型变频器，其输入电路一侧是交-直流电源转换的整流电路，由于整流电路的直流电压是在被平滑电容滤波之后输出给后续电路，所以电源供给变频器的电流实际上是平滑电容的充电电流(见图1)。由于存在内部阻抗，当变频器供电的电源容量越大，变频器输入电流的波形就越陡峭，而输入电压的波形畸变则越小；电源容量越小，则电流波形越平
! P$ w" r9 x2 L' M' V' R/ `缓，而电压的波形畸变则越大。
       由于电源电流和电压的波形畸变，将对起重机主电机、抱闸推杆电机、接触器、继电器、直流电源等设备产生过热、噪声和振动，影响它们的使用寿命与动作准确性。
) ^% n" J6 Y! H; f1 W( n2.2 产生无线电干扰电波(无线电波噪声）
       现在使用的变频器大多采用PWM控制方式，逆变后的变频器输出电流波形模拟接近正弦波，可使电动机平滑运行并减少由于电动机转速变化和电流波动引起的能量损失。但由于在采用PWM控制方式时逆变电路中半导体开关器件以相当高频率(大于4MHz)进行开关动作，在变频器的输出电压和输出电流中含有高次谐波，这些高次谐波的最高频率可达20MHz，并通过静电感应和电磁感应而成为电波噪声。电波噪声包括传导噪声和辐射噪声，前者通过电源导线传播，后者由辐射至空中的电磁波和磁场直接传播。
' J3 N& N% O2 }) s      传导噪声是由于输出电压高频脉冲dV/dt造成的，它会使主电机绝缘恶化；会与机械轴系发生共振;会加大电动机转子轴头两端、轴与轴承间的轴电压，通过油膜放电使轴和轴承提前损坏。传导噪声可干扰PLC正常工作，可使负荷限制器误差更大，使电子式接近开关、光电开关误动作。
       变频器的高频电磁波辐射噪声大部分集中在150kHz～1.5MHz频段，会对起重机通讯用的无线对讲机、某些起重机无线遥控器、起重机无线吊钩秤、司机室收音机和扩音机以及电话机等设备产生干扰，影响其使用质量和效果。
& y  e3 ~1 d3 p( ]6 o& M! ~4 [* _1 P2.3 引起电动机噪声、颤振、过热、扭矩降低等问题
    变频器输出电压波形不是正弦波，流过电动机的电流也有许多高次谐波。电机在变频调速运行时，电机绕组和铁芯会因这些谐波而产生振动和磁噪声，一般与采用电网正弦波电源直接驱动相比，变频器驱动的电动机噪声要大5~11dB(见图2)。
# n$ t7 @" U, ~! V3 k( b( Z( ~       与产生噪音时相同的原因，系统振动也将变大，尤其是5次、7次谐波成分所产生的脉动转矩将给变频器的转矩输出带来较大波动，而系统也有可能因变频器输出转矩的波动与机械系统发生共振并产生更大振动。
- r! y* f! J* h: i" C       由于谐波成分影响，即使带同一负载和在同一频率，变频调速电动机电流也将增加5%~10%，电动机温升也高于工频电源驱动工况。另外，由于普通电机是通过安装在电机轴上的冷却风扇进行冷却的，在连续低速运行时，将会因其自身冷却能力不足而产生电机过热现象。
3 系统设计配置时应采取的措施
  a5 W* u; ?1 ~3 u" n        对于起重机电控系统的设计，可靠性永远是第一考虑的问题。
/ I  @2 m# s' }8 n3 I       在接受变频调速的大速比、起制动平滑柔和、优良的动静态调速特性时，必须顾及整机的性能。在进行系统设计前若不采取必要措施，而是在变频驱动系统投运后发现问题，才匆忙采取对策，则不能彻底解决问题或者处理费用过高。设计时就考虑各种对策，才能达到防患于未然。
+ ^4 L) p( y9 o% ^0 Z/ I/ W/ d3.1 抑制电网电源波形畸变的措施
3.1.1 在各机构交流进线主回路串入扼流电抗器。通过增设的电抗器，可以减少脉冲状电流波形的峰值，达到改善电流波形的目的。电抗器的选择以电压降在负载额定电压的2%~5%为宜，例如电压降为5%的电抗器，可降低约30%的高次谐波含有率。
3.1.2 在一次和二次回路中并接滤波器LC或RC，通过削波和由电抗电容组成的高次谐波共振电路，达到吸收谐波的目的。普通起重机从实用、降低成本起见，一般不采用有源滤波器。
; q* v: C4 R4 O* @6 g. Y3 f1 W3.1.3 尽量采用工程型PWM控制方式的整流电路。这种控制方式的电路与PWM控制方式的逆变电路结构相同，并能适当控制使变频器的输入电流波形近似成为正弦波，其产生的高次谐波成分非常小。但这种整流电路的缺点是电路结构复杂，成本高。
2 ~" Z4 C( I! c3.2 抑制电波噪声的措施
. h: p1 f4 l. |: L0 |0 U9 K/ j6 |5 P. {3.2.1 对于通过电源线传播的传导噪声，可采用隔离滤波变压器，对高频成分形成绝缘；在直流回路串接直流电抗器，以提高对谐波成分的阻抗；在变频器输入端串入线滤波器。
3.2.2 辐射噪声主要决定于变频器本身的防护结构和电动机电缆的布线等多种因素，抑制辐射噪声比抑制传导噪声要困难。实施时应尽量缩短放线距离，并将导线对绞以减少阻抗;选用铸壳金属封闭结构的变频器,并将壳体接地，将输入输出电缆穿管并接地；在变频器输出端设输出电抗器和输出滤波器。
3.3 降低系统噪声的措施
3.3.1 采用低磁密、有铁芯防窜措施、铸铁外
- _9 |3 Z; E6 p' W( s5 f7 O* h壳的高刚性变频电动机。
3.3.2 选择低噪声冷却风扇和电抗器。
* v4 }, G1 p$ B# p7 O3.3.3 在变频器和电机间串入可将输出波形转换为正弦波的正弦滤波器。
% F  E3 j+ Y" _, x( T3.4 抑制系统振动的措施
, {7 \& D+ ?2 ]' ]$ v3.4.1 起动时降低V/F比值。
3 N* ?/ {7 g) K3.4.2 将刚性连轴器改为弹性连轴器。
3.4.3 在变频器和电机间接入电抗器。
3.4.4 改变PWM的载频。
3.5 防止电动机过热的措施
3.5.1 将电动机由自冷方式改为他冷方式。
3.5.2 选用大一档容量电机。
1 @# e4 i+ p* x6 W1 b3.5.3 提高电机的绝缘等级，以达到提高温升上限值的要求。
3.5.4 改用变频专用电机。
3.5.5 对电机运行范围进行控制，避免连续低速工况。
/ G8 q  u% Q9 O. |3 I4 结语
       交流变频传动在起重机上的使用已趋成熟，它的优良调速、控制性能已被技术人员广泛接受，但在广泛使用中也要关注其负面影响，方能更安全、更可靠地使用。另外，目前起重机上使用的工程型变频器都是从几个发达国家直接或间接进口的，投用以后的售后服务、维修保养、故障应急处理、备品备件供应都严重制约着起重机的利用可靠性，也都增加了最终用户的运行成本，这些也必须引起我国工程技术人员和业主的注意。