适应特种环境要求的高性能变频器
2003/6/14 13:35:00
1.引言
当前，在中国大陆市场的变频器品牌大致有将近70多种，各种变频器品牌都有其自身的市场和应用环境，而Vacon变频器从其开始生产以来，就一直以能适应各种恶劣环境和保护功能齐全而著称，在许多场合应用以来，受到了用户的广泛赞誉。本文将详细介绍，Vacon变频器是如何做到能适应各种特殊环境要求，达到高性能的要求的。
2. 可信赖的技术
Vacon变频器的设计和生产是依据国际市场的使用标准和规范，基于Vacon设计人员的多年专业技术及丰富经验设计而成，并采用大规模、集成化生产而成，目前的年生产能力为20万台，产品范围包括CX和NX系列，功率范围为0.2KW~3000KW的低压变频器。
Vacon 变频器具有严格的测试标准，其测试流程如图1所示：
图1 Vacon变频器测试流程
从图1，可以看出Vacon变频器的测试需要经过合作伙伴、元器件供应商的产品测试，在装配之前还需经过装配和外观检测，装配完成之后需经过高压测试、功能检测和拷机等严格操作，并在每一步测试过程中都将根据变频器的序列好，记录各项测试数据，记录和跟踪所有主要器件的测试数据。
为了提高产品的可靠性，Vacon变频器在设计时就力争使用最佳和最少的元器件供应厂商和合作厂商，减少产品因为器件原因所产生的故障。Vacon变频器的设计寿命为在每天24小时工作，100%负载和最大环境温度情况下，工作时间为50000小时，并且所达到的平均无故障工作时间（MTBF）为500000小时。为了达到上述的高可靠性工作，Vacon变频器在散热片的设计、散热风机的选择以及直流桥电容等，都具有独到的设计和产品选择标准。
同时为了提高产品的可靠性，提高元器件供应厂商和合作厂商产品的可靠性，减少用户的备件量，降低现场的维修时间，Vacon产品采用了高度的模块化结构，使同类型、同型号、同体积的变频器都采用相同的控制面板、控制板、功率板，以及相同的电流检测板等，也由于采用了高度的模块化结构以及许多器件的通用性，使合作厂商在生产相同型号产品时能完全有时间和经历提高产品部件的可靠性，降低了变频器部件的备件量和备货时间，加快了变频器的订货和生产周期，同时也有利于降低产品的生产成本。
Vacon变频器在达到完全模块化生产的同时，还采用了相同的I/O结构，减轻了设计用户的设计量，也方便了用户的维修。
3. 全内置交流电抗器
图2 Vacon CX系列变频器原理框图
Vacon CX变频器的原理框图如图2所示，在变频器内部都内置了交流电抗器，该交流电抗器可以从电网电压到整流桥的瞬间电压波动了，保护变频器的整流部分，同时也抑制了部分由于6相整流所产生的部分谐波电流对电网的影响，改善了输入到变频器的电流波形。
Vacon 变频器所内置采用交流电抗器的电抗因素>4%，使得在6相整流时的总谐波电流（THD）小于35%，该谐波电流值大大小于其他内置交流电抗器或直流电抗器的变频器厂家，减小了由于谐波电流所产生的谐波电压，减小了对同电源系统中的其他系统的影响。另外Vacon所提供的四象限运行变频系统（CXR）的总谐波电流值可小于4%。
4. 先进的控制模式
Vacon 变频器的控制模式为转子磁场定位的模糊矢量控制，其控制框图如图3所示：
图3 Vacon变频器的模糊矢量控制框图
Vacon 变频器的矢量计算采用了特殊的矢量计算和电机集成控制芯片，采用该控制芯片，大大提高了Vacon变频器的矢量计算速度，减小了应用程序芯片的计算时间，使得Vacon变频器在相同结构的情况下，通过下载不同的应用软件和不同系统软件，具有频率控制、开环速度、开环转矩控制、闭环速度控制、闭环转矩控制、高级开环速度控制、高级开环频率控制和高级开环转矩等多种控制方式，使得Vacon变频器完完全全成为可编程的矢量变频器，减少了用户在变频器选型时的型号考虑。
由于内置了Vacon独有的矢量计算和电机集成控制芯片，在相同的硬件结构情况下，可以达到输出最高频率7200Hz，闭环转矩的响应时间为小于10ms（NXP小于3ms），闭环速度精度为0.01%~0.03%，闭环可控转矩为200%，开环时的速度精度为0.5%，开环低频可控转矩为125%。
另外由于采用了电机集成控制芯片，Vacon变频器所提供的斩波频率为1~16KHz连续可调，在实际使用时可以大大降低电机噪音和损耗。
5．齐全的保护功能
为了适应特殊的恶劣环境，达到高性能的要求，Vacon变频器具有如下保护功能：过流保护、接地保护、欠压保护、过压保护、失速保护、欠载保护、变频器低温/过热保护、电机过热保护、输入/输出相保护等齐全的保护功能。
5.1 过流保护
Vacon变频器过载最大电流为1.5ICT，每10分钟1分钟，或2.5ICT，每20秒2秒，上述时间均为100%电压输出时的累计时间。瞬间过流保护的跳闸极限为4ICT。
Vacon变频器之所以有如此大的过流和跳闸电流极限是因为：Vacon变频器所采用的功率器件都为德国西门康公司的功率模块，在变频器的功率模块设计和选型也为变频器流有较大余量，另外Vacon变频器的强制散热以及独到的散热回路设计也是有较大过载能力和跳闸极限的有力保证。
5.2 接地保护
由于Vacon变频器采用了三相电流检测（见图2），因此变频器能根据三相输出电流的检测值，计算三相输出电流之和，较快地判断变频器的是否接地，达到接地保护的功能。
5.3 欠压/过压保护
Vacon变频器所提供的欠压跳闸极限为0.65Un，过压跳闸极限为1.47Un(当Un=380V时)。因为Vacon变频器时根据直流桥上的电压值来判断欠压和过压跳闸极限，因此对于集中型号的变频器跳闸时的电压值如下表所示：
由于Vacon变频器内部具有欠压控制器和过压控制器，当这些参数设置为1时，当直流桥电压较低（—15%）时，欠压控制器工作，输出频率减小；当直流桥电压较高（+10%）时，过压控制器工作，输出频率增加。
变频器上电时，直流桥电压高于所设电源电压的1.15倍时，充电过程将结束，变频器检测如果没有其他故障，变频器将输出Ready信号，变频器准备运行。
特殊情况下，Vacon变频器可以编制特殊的应用软件，以达到在上述直流桥电压范围内，变频器仍可驱动电机运行。
5.4 失速保护
Vacon变频器的失速保护可保护电机不受短时过载情况的危害，如电机轴受阻失速，且失速保护可比电机热保护更快。Vacon变频器的失速保护由两个参数确定，及失速电流和失速频率。当变频器的输出电流大于失速电流且输出频率小于失速频率时，变频器将判断为失速保护。
5.5 欠载保护
Vacon变频器为了确保电机在运行时带有负载，如电机运行时的皮带断裂或水池干涸等，都有可能出现电机的欠载问题。Vacon变频器的欠载保护可以及时报警不正常的工作情况，保护系统的可靠运行。
5.6 变频器低温/过热保护
Vacon变频器的低温保护极限为—10OC，NX变频器的过热报警温度为85OC，过热故障温度为90OC，CX变频器的过热报警温度为70OC，过热故障温度为75OC。
变频器的低温和过热温度都是指变频器的散热片温度，因为变频器无法测得外部环境温度，而IGBT的上下桥臂的开关特性与温度有极大的关系，如果超过上述温度，将导致需要关断的桥臂不能及时关断或需要打开的桥臂提前打开等，这些将导致IGBT的上下桥臂有可能直通，对变频器的危害极大，因此Vacon变频器对散热片的设计和斩波频率的设计等融入他们多年的设计经验。
5.7 输入/输出相保护
Vacon变频器的输入/输出相保护，可以保护功率模块的任何一个桥臂不会因为其他相的缺相而导致别的相过流，导致变频器的损坏。
6. 特殊应用环境设计
Vacon变频器针对不同的特殊环境，采取了全金属外壳、特殊涂层、内置制动斩波器、可选IP54防护等，满足了各种恶劣环境以及特殊环境的适应要求。
6.1 全金属功率部分外壳
功率部分主要时包括变频器的整流、逆变以及内部电源、驱动等部分。
Vacon变频器的功率部分采用全金属的外壳结构，该结构可以屏蔽外部谐波及外部磁场对变频器的干扰，同时也可以屏蔽变频器内部的高次谐波对外部设备的干扰。
6.2 特殊涂层
Vacon变频器的所有PCB板，都可以根据外部环境的要求，加喷不同的涂层，防止外部腐蚀性气体对PCB的腐蚀。
6.3 内置制动斩波器
Vacon变频器内置了制动斩波器，减小了安装的尺寸。
Vacon变频器内置的制动斩波器，可以提供100%的制动力矩。
6.4 IP54防护等级
Vacon变频器所提供的IP54防护等级可以用于外部灰尘较大，以及有水溅的许多恶劣环境，且其尺寸较小。
6.5 抗振动性
对于起重机，变频器的抗振动性特别重要。
Vacon变频器在运行过程中，能抵抗的振动频率为2~9Hz，最大振幅为3mm，完全满足IEC721-3-3振动标准。
8. 可编程变频器
Vacon 变频器除了上述的特性以外，还具有满足IEC61131-3的编程软件，该编程软件具有与变频器硬件接口的接口文件，并且提高大至2M空间的用户程序空间，程序最短扫描时间为1ms，采用分时复用的操作系统方式，完全具备根据用户要求，提供更高性能和更快响应的特殊程序。
9.结论
变频器的应用越来越广泛，但是对于许多特殊应用的场合，恶劣的环境，系统响应快的地方必须要求高性能的变频器，并且用户对于变频器的可靠要求也越来越高，Vacon将一如既往从用户的具体要求出发，针对特殊的应用环境和特殊的使用要求，为用户提供高性能、价
当前，在中国大陆市场的变频器品牌大致有将近70多种，各种变频器品牌都有其自身的市场和应用环境，而Vacon变频器从其开始生产以来，就一直以能适应各种恶劣环境和保护功能齐全而著称，在许多场合应用以来，受到了用户的广泛赞誉。本文将详细介绍，Vacon变频器是如何做到能适应各种特殊环境要求，达到高性能的要求的。
2. 可信赖的技术
Vacon变频器的设计和生产是依据国际市场的使用标准和规范，基于Vacon设计人员的多年专业技术及丰富经验设计而成，并采用大规模、集成化生产而成，目前的年生产能力为20万台，产品范围包括CX和NX系列，功率范围为0.2KW~3000KW的低压变频器。
Vacon 变频器具有严格的测试标准，其测试流程如图1所示：
图1 Vacon变频器测试流程
从图1，可以看出Vacon变频器的测试需要经过合作伙伴、元器件供应商的产品测试，在装配之前还需经过装配和外观检测，装配完成之后需经过高压测试、功能检测和拷机等严格操作，并在每一步测试过程中都将根据变频器的序列好，记录各项测试数据，记录和跟踪所有主要器件的测试数据。
为了提高产品的可靠性，Vacon变频器在设计时就力争使用最佳和最少的元器件供应厂商和合作厂商，减少产品因为器件原因所产生的故障。Vacon变频器的设计寿命为在每天24小时工作，100%负载和最大环境温度情况下，工作时间为50000小时，并且所达到的平均无故障工作时间（MTBF）为500000小时。为了达到上述的高可靠性工作，Vacon变频器在散热片的设计、散热风机的选择以及直流桥电容等，都具有独到的设计和产品选择标准。
同时为了提高产品的可靠性，提高元器件供应厂商和合作厂商产品的可靠性，减少用户的备件量，降低现场的维修时间，Vacon产品采用了高度的模块化结构，使同类型、同型号、同体积的变频器都采用相同的控制面板、控制板、功率板，以及相同的电流检测板等，也由于采用了高度的模块化结构以及许多器件的通用性，使合作厂商在生产相同型号产品时能完全有时间和经历提高产品部件的可靠性，降低了变频器部件的备件量和备货时间，加快了变频器的订货和生产周期，同时也有利于降低产品的生产成本。
Vacon变频器在达到完全模块化生产的同时，还采用了相同的I/O结构，减轻了设计用户的设计量，也方便了用户的维修。
3. 全内置交流电抗器
图2 Vacon CX系列变频器原理框图
Vacon CX变频器的原理框图如图2所示，在变频器内部都内置了交流电抗器，该交流电抗器可以从电网电压到整流桥的瞬间电压波动了，保护变频器的整流部分，同时也抑制了部分由于6相整流所产生的部分谐波电流对电网的影响，改善了输入到变频器的电流波形。
Vacon 变频器所内置采用交流电抗器的电抗因素>4%，使得在6相整流时的总谐波电流（THD）小于35%，该谐波电流值大大小于其他内置交流电抗器或直流电抗器的变频器厂家，减小了由于谐波电流所产生的谐波电压，减小了对同电源系统中的其他系统的影响。另外Vacon所提供的四象限运行变频系统（CXR）的总谐波电流值可小于4%。
4. 先进的控制模式
Vacon 变频器的控制模式为转子磁场定位的模糊矢量控制，其控制框图如图3所示：
图3 Vacon变频器的模糊矢量控制框图
Vacon 变频器的矢量计算采用了特殊的矢量计算和电机集成控制芯片，采用该控制芯片，大大提高了Vacon变频器的矢量计算速度，减小了应用程序芯片的计算时间，使得Vacon变频器在相同结构的情况下，通过下载不同的应用软件和不同系统软件，具有频率控制、开环速度、开环转矩控制、闭环速度控制、闭环转矩控制、高级开环速度控制、高级开环频率控制和高级开环转矩等多种控制方式，使得Vacon变频器完完全全成为可编程的矢量变频器，减少了用户在变频器选型时的型号考虑。
由于内置了Vacon独有的矢量计算和电机集成控制芯片，在相同的硬件结构情况下，可以达到输出最高频率7200Hz，闭环转矩的响应时间为小于10ms（NXP小于3ms），闭环速度精度为0.01%~0.03%，闭环可控转矩为200%，开环时的速度精度为0.5%，开环低频可控转矩为125%。
另外由于采用了电机集成控制芯片，Vacon变频器所提供的斩波频率为1~16KHz连续可调，在实际使用时可以大大降低电机噪音和损耗。
5．齐全的保护功能
为了适应特殊的恶劣环境，达到高性能的要求，Vacon变频器具有如下保护功能：过流保护、接地保护、欠压保护、过压保护、失速保护、欠载保护、变频器低温/过热保护、电机过热保护、输入/输出相保护等齐全的保护功能。
5.1 过流保护
Vacon变频器过载最大电流为1.5ICT，每10分钟1分钟，或2.5ICT，每20秒2秒，上述时间均为100%电压输出时的累计时间。瞬间过流保护的跳闸极限为4ICT。
Vacon变频器之所以有如此大的过流和跳闸电流极限是因为：Vacon变频器所采用的功率器件都为德国西门康公司的功率模块，在变频器的功率模块设计和选型也为变频器流有较大余量，另外Vacon变频器的强制散热以及独到的散热回路设计也是有较大过载能力和跳闸极限的有力保证。
5.2 接地保护
由于Vacon变频器采用了三相电流检测（见图2），因此变频器能根据三相输出电流的检测值，计算三相输出电流之和，较快地判断变频器的是否接地，达到接地保护的功能。
5.3 欠压/过压保护
Vacon变频器所提供的欠压跳闸极限为0.65Un，过压跳闸极限为1.47Un(当Un=380V时)。因为Vacon变频器时根据直流桥上的电压值来判断欠压和过压跳闸极限，因此对于集中型号的变频器跳闸时的电压值如下表所示：
由于Vacon变频器内部具有欠压控制器和过压控制器，当这些参数设置为1时，当直流桥电压较低（—15%）时，欠压控制器工作，输出频率减小；当直流桥电压较高（+10%）时，过压控制器工作，输出频率增加。
变频器上电时，直流桥电压高于所设电源电压的1.15倍时，充电过程将结束，变频器检测如果没有其他故障，变频器将输出Ready信号，变频器准备运行。
特殊情况下，Vacon变频器可以编制特殊的应用软件，以达到在上述直流桥电压范围内，变频器仍可驱动电机运行。
5.4 失速保护
Vacon变频器的失速保护可保护电机不受短时过载情况的危害，如电机轴受阻失速，且失速保护可比电机热保护更快。Vacon变频器的失速保护由两个参数确定，及失速电流和失速频率。当变频器的输出电流大于失速电流且输出频率小于失速频率时，变频器将判断为失速保护。
5.5 欠载保护
Vacon变频器为了确保电机在运行时带有负载，如电机运行时的皮带断裂或水池干涸等，都有可能出现电机的欠载问题。Vacon变频器的欠载保护可以及时报警不正常的工作情况，保护系统的可靠运行。
5.6 变频器低温/过热保护
Vacon变频器的低温保护极限为—10OC，NX变频器的过热报警温度为85OC，过热故障温度为90OC，CX变频器的过热报警温度为70OC，过热故障温度为75OC。
变频器的低温和过热温度都是指变频器的散热片温度，因为变频器无法测得外部环境温度，而IGBT的上下桥臂的开关特性与温度有极大的关系，如果超过上述温度，将导致需要关断的桥臂不能及时关断或需要打开的桥臂提前打开等，这些将导致IGBT的上下桥臂有可能直通，对变频器的危害极大，因此Vacon变频器对散热片的设计和斩波频率的设计等融入他们多年的设计经验。
5.7 输入/输出相保护
Vacon变频器的输入/输出相保护，可以保护功率模块的任何一个桥臂不会因为其他相的缺相而导致别的相过流，导致变频器的损坏。
6. 特殊应用环境设计
Vacon变频器针对不同的特殊环境，采取了全金属外壳、特殊涂层、内置制动斩波器、可选IP54防护等，满足了各种恶劣环境以及特殊环境的适应要求。
6.1 全金属功率部分外壳
功率部分主要时包括变频器的整流、逆变以及内部电源、驱动等部分。
Vacon变频器的功率部分采用全金属的外壳结构，该结构可以屏蔽外部谐波及外部磁场对变频器的干扰，同时也可以屏蔽变频器内部的高次谐波对外部设备的干扰。
6.2 特殊涂层
Vacon变频器的所有PCB板，都可以根据外部环境的要求，加喷不同的涂层，防止外部腐蚀性气体对PCB的腐蚀。
6.3 内置制动斩波器
Vacon变频器内置了制动斩波器，减小了安装的尺寸。
Vacon变频器内置的制动斩波器，可以提供100%的制动力矩。
6.4 IP54防护等级
Vacon变频器所提供的IP54防护等级可以用于外部灰尘较大，以及有水溅的许多恶劣环境，且其尺寸较小。
6.5 抗振动性
对于起重机，变频器的抗振动性特别重要。
Vacon变频器在运行过程中，能抵抗的振动频率为2~9Hz，最大振幅为3mm，完全满足IEC721-3-3振动标准。
8. 可编程变频器
Vacon 变频器除了上述的特性以外，还具有满足IEC61131-3的编程软件，该编程软件具有与变频器硬件接口的接口文件，并且提高大至2M空间的用户程序空间，程序最短扫描时间为1ms，采用分时复用的操作系统方式，完全具备根据用户要求，提供更高性能和更快响应的特殊程序。
9.结论
变频器的应用越来越广泛，但是对于许多特殊应用的场合，恶劣的环境，系统响应快的地方必须要求高性能的变频器，并且用户对于变频器的可靠要求也越来越高，Vacon将一如既往从用户的具体要求出发，针对特殊的应用环境和特殊的使用要求，为用户提供高性能、价
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