變頻器在DF900D架橋機中的應用及注意事項
六公司哈齊客專項目部架樑隊 楊立新
摘要：變頻器在大型設備中的應用越來越廣泛，尤其是在DF900D架橋機上的使用應引起人們的重視。本文主要介紹了變頻器的工作原理及在大型設備DF900D架橋機上的作用，增強了架橋機的可靠性，提高了其工作效率，改善了架橋機的運行性能，提出了變頻器在使用中注意的的事項。
關鍵詞：變頻器 工作原理 注意事項
在哈齊客專900噸箱梁架設中中鐵十五局使用的是DF900D架橋機承擔着600孔箱梁的架設任務，DF900D架橋機能否安全、可靠、方便地工作在很大程度上取決於電氣控制系統，電氣控制系統由工業PC 、可編程控制器、變頻器、遙控器、人機界面等主要部分構成。結合本人的實踐談談變頻器的工作原理及其注意的事項。
變頻器的工作原理
變頻器是把工頻電源50hz或60hz變換成頻率可調的交流電源，以實現控制電動機的變速運行的設備，變頻器由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。其主要有主電路和控制電路組成，主電路包括：整流電路、直流中間電路、逆變電路等；整流電路的主要作用是把三相或單相交流電變換成直流電，爲逆變電路提供所需的直流電源。直流中間電路通過大容量的電容對輸出電壓進行濾波對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路的功能是在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓轉換爲電壓頻率可調的交流電壓，實現對異步電動機的變頻調速的控制直流電在逆變成交流電。控制電路有運算電路、檢測電路、控制信號的輸入/輸出電路和驅動電路組成，控制電路是給異步電動機供電的主電路提供控制信號的迴路。由變頻器的工作原理可以知道，三相異步電動機同步轉速錶達式爲：
n = 60 f (1 – s ) / p
式中：n----異步電動機的.轉速
f----異步電動的頻率
s----電動機的轉差率
p----電動機極對數
有上式可知轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0—75hz的範圍內變化時，電動機轉速調節範圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能調速手段。
變頻器的結構原理圖
二、變頻器在DF900D架橋機中的應用
DF900D架橋機共使用8臺FR-A700變頻器來控制，使架橋機起升系統及各走行機構的性能得到很大的提高，提升平穩、減速平滑，空中啓動無溜鉤。採用重載低速、空載高速設計，提高效率。
主起升部分
主起升部分控制分佈在兩臺吊樑天車上的八臺捲揚機，考慮八臺捲揚機的單獨動作及同步聯動問題，啓動衝擊、制動及溜鉤問題。起升機構是DF900D架橋機的重點控制對象。爲防止重載下降時出現溜鉤現象，機構設有制動電阻和制動單元，同時在電機和減速機的高速軸和低速軸處加有雙制動器，正常制動時首先制動高速端然後延遲一段時間再使低速端制動，使制動趨於平穩。另外由於變頻器在制動時是先逐漸降低頻率減速直到接近零赫茲時再進行制動，所以制動非常平穩。重物下降時由於勢能而產生的能量將由制動電阻和制動單元消耗吸收。升降系統採用旋轉編碼器實現轉速反饋構成閉環調速系統，可在四象限內對轉速自動調節。八臺單個捲揚機均可單獨進行調整，以便於組拼架橋機時穿鋼絲繩或單獨進行調整。升降系統設有超速開關，一旦出現超速即可自動停機。起升機構在所有工作機構中電機功率最大：P=22kW×8=154kW，單機功率爲22kW，選擇功率爲30kW的變頻器八臺。
2、走行機構
DF900D架橋機走行機構包括導樑天車縱移、導樑吊機縱移、前支腿吊掛縱移、後支腿縱移、輔助支腿走行輪、輔助支腿反掛輪等。各走行機構工作時最大功率爲前、後馱樑小車供電，其單車功率爲5.5×4=22kW，採用二臺30kW變頻器提供，滿足要求；由於架橋機在工作時僅允許有一個機構工作，因此，所有行走機構均可共享變頻器這一資源以降低成本。
DF900D架橋機整機採用了全變頻調速，其中包含有各種保護功能，如：過壓、欠壓、過載、短路、斷路、漏電、電子熱保護等等。變頻器對電機能起到熱保護作用，由於每臺變頻器只能對單臺電機起保護，爲了保證了系統的安全，提高其可靠性，在DF900D架橋機中除起升系統爲單臺變頻器控制單臺電機外，其餘都在兩臺以上，因此在每臺電機的前端又增加了複式空氣開關以保護電機。另外各執行機構還都設置了限位開關、預減速開關，來確保架橋機萬無一失。
變頻器使用及注意的事項
1、變頻器安裝
由於變頻器屬於精密的功率電力電子產品，其現場安裝工藝的好壞也影響着變頻器的正常工作。正確的安裝可以確保變頻器安全和無故障運行。變頻器對安裝環境要求較高。一般變頻器使用溫度範圍爲最低溫度-10℃，最高溫度不超過50℃；變頻器的安裝海拔高度應小於1000m，超過此規定應降容使用；變頻器不能安裝在經常發生振動的地方，對振動衝擊較大的場合，應採用加橡膠墊等防振措施；不能安裝在電磁干擾源附近；不能安裝在有灰塵、腐蝕性氣體等空氣污染的環境；不能安裝在潮溼環境中，應儘量採用密封櫃式結構，並且要確保變頻器通風暢通，確保控制櫃有足夠的冷卻風量，其典型的損耗數一般按變頻器功率的3%來計算櫃中允許的溫升值。
DF900D架橋機使用的是FR-A700變頻器其安裝工藝要求如下：1、確保控制櫃中的所有設備接地良好，應該使用短、粗的接地線連接到公共地線上。其接地電阻應小於4歐姆，另外與變頻器相連的控制設備（如PLC或PID控制儀）要與其共地。2、安裝佈線時將電源線和控制電纜分開，例如使用獨立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應成90°交叉佈線。3、使用屏蔽導線或雙絞線連接控制電路時，確保未屏蔽之處儘可能短，條件允許時應採用電纜套管。4、確保控制櫃中的接觸器有滅弧功能，交流接觸器採用R-C抑制器，也可採用壓敏電阻抑制器。5、用屏蔽和鎧裝電纜作爲電機接線時，要將屏蔽層雙端接地。6、如果變頻器運行在對噪聲敏感的環境中，可以採用RFI濾波器減小來自變頻器的傳導和輻射干擾。爲達到最優效果，濾波器與安裝金屬板之間應有良好的導電性。
2、變頻器與制動單元的連接
變頻器雖然有內置電阻，但由於DF900D架橋機在實施高頻率運行時，內置的制動電阻熱能力將不足，需要在外部安裝專用制動電阻來提高減速時的制動能力，下圖是連接FR-BU(H)制動單元的線路圖
制動單元應安裝在制動單元附屬的電纜能連接到變頻器的範圍內，制動單元和變頻器間的配線使用制動單元附屬的電纜，將主電源的電纜連接到變頻器的P/+,N/-端子上，切開變頻器上部的橡膠襯套並穿入控制電路電源，連接至變頻器內部的接口。如果制動單元內的晶體管被損壞，電阻將非常熱。因此應在變頻器的電源側安裝電磁接觸器，可在故障時切斷電源。
3、變頻器散熱
變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產生的熱量也是非常大的，不能忽視其發熱所產生的影響。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數的上升。由於變頻器的容許周圍溫度是-10℃---50℃，必須在此溫度範圍內使用。超過此範圍使用時，半導體，元件，電容等的壽命會顯著縮短。應採取以下措施，將變頻器的周圍環境溫度控制在規定的範圍內。
採用強迫換氣等冷卻方式。
將變頻器電器櫃安裝在有空調的電氣室內。
避免直射陽關。
設置遮蓋板等避免直射的熱源的輻射熱，暖風等
保證電氣櫃周圍有良好的通風
通常，變頻器安裝在控制櫃中。變頻器的發熱量可以用以下公式估算： 發熱量的近似值＝ 變頻器容量（KW）×55,由於變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 並且在櫃子裏面, 這時發熱量會更大一些。再加上有制動電阻，制動電阻的散熱量很大，最好應和變頻器隔離開。當變頻器安裝在控制機櫃中時，要考慮變頻器發熱值的問題。根據機櫃內產生熱量值的增加，要適當地增加機櫃的尺寸。因此，要使控制機櫃的尺寸儘量減小，就必須要使機櫃中產生的熱量值儘可能地減少。如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機櫃的外面，將會使變頻器有70％的發熱量釋放到控制機櫃的外面。由於大容量變頻器有很大的發熱量，所以對大容量變頻器更加有效。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。變頻器散熱設計中都是以垂直安裝爲基礎的，橫着放散熱會變差。FR-A700變頻器是功率稍比較大的變頻器，帶有冷卻風扇。同時在控制櫃上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制櫃。
4、FR-A700變頻器注意事項
電源及電機接線的壓着端子，使用帶有絕緣套管的端子。
電源一定不能接到變頻器的輸出端子（U,V,W）上，否則將損壞變頻器。
接線後，零碎線頭必須清除乾淨。在控制檯上打孔時，不要使碎粉片粉末等進入變頻器中。
佈線距離最長爲500m，特別是進行長距離配線時，受到因配線的寄生電容而產生的衝擊電流的影響，會有高響應電流限制功能下降，連接在變頻器輸出側的機器發生誤動作等不良現象，所以應注意總配線長度。
變頻器輸入/輸出包含有諧波成份，可能干擾變頻器附近的通信設備。因此，安裝選件抗干擾濾波器，是干擾降至最小。
不要使用變頻器輸入側的電磁接觸器啓動，停止變頻器。
在有工頻供電與變頻器切換的操作中，設計時需要爲MC1和MC2提供電氣和機械互鎖。在按下圖設計的工頻供電與變頻器切換電路時，還應考慮在切換時的電弧或程序錯誤時造成的振盪等等，引起來自電源的電流損壞變頻器。
在停電後電源恢復時，如果需要防止機械再啓動，在設計變頻器一次側的電磁接觸器的同時，還應設計將控制的啓動信號斷開。
變頻器反覆進行高頻率的運行停止時，有大量的電流反覆通過，使得變頻器的晶體管元件因溫度反覆上升，下降導致熱疲勞使用壽命縮短。因熱疲勞受電流的大小影響，因此通過限制電流或降低啓動電流等時可以延長其使用壽命。雖然降低電流可以延長壽命，但如果電流本身降低則會引起旋轉動力不足，無法啓動等。因此，可以採取擴大變頻器的容量，以增加電流富餘空間的措施。
結束語
以上通過對DF900D架橋機的變頻器工作原理及安裝工藝的分析，提出了應該注意的幾點事項。隨着新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，變頻器在大型設備上的應用增強了大型設備的可靠性，提高了其工作效率，改善了設備的運行性能。