變頻器電流顯示產生誤差的原因及解決方案

1 引言

在我廠擬薄水鋁石工程試車過程中，有5臺5.5kW的洗液泵采用了富士7.5kW變頻器變頻調速，試車過程比較順利，只是變頻器的輸出電流在控制柜、現(xiàn)場控制箱、威盛FB2000 DCS集散控制系統(tǒng)的顯示器上誤差比較大。在接近額定負載時，現(xiàn)場控制箱和DCS集散控制系統(tǒng)的顯示器上有很小的電流在3A以下，控制柜在5A以下;在空載或負載較小時現(xiàn)場控制箱和DCS集散控制系統(tǒng)的顯示器上沒有電流顯示，控制柜上的電流很小。我們對變頻器電流回路進行了檢查和分析：控制柜、現(xiàn)場控制箱上安裝的是42L6型整流系電流表，電流互感器為單匝LMZJ1-0.5 20/5，電流信號取自變頻器的電源側，現(xiàn)場控制箱和主控室距離變頻柜并不遠，在30m左右，電流回路接線正常，電流互感器也沒有超載，原因何在？根據分析，電流顯示誤差的原因有以下幾點。

2 電流顯示誤差的原因

2.1 變頻器電源側電流波形畸變且含有較大的高次諧波

由于變頻器在電源側采用不可控整流橋，中間直流回路安裝有較大的濾波電容，導致變頻器電源輸入側電流波形是輸入電壓波形峰值處帶雙尖峰的間斷脈沖，電流脈沖寬度在負載較大時稍寬，負載小時很窄，這種畸變的電流波形含有大量的諧波，電流脈沖峰值比平均值大得多，這種畸變的電流的波形系數(shù)為電流脈沖寬度百分比的開方，由于小型變頻器在中間直流回路一般沒有加裝功率因數(shù)校正直流電抗器，有效值達到了平均值的2～3倍，而且呈非線性，負載較小時，有效值相對較平均值更大一些。

2.2 電流表選型不正確

42L6型整流系電流表是按電流平均值原理來測量電流的，它是在測量50Hz完全正弦波時，按1.11倍的波形系數(shù)進行校正的，在50Hz完全正弦波或波形誤差不是太大的情況下，能正確或基本上反映電流有效值的大小，對于變頻器輸入側這種波形畸變的脈沖電流，將出現(xiàn)較大的誤差，并且由于這種波形畸變的電流的有效值與平均值呈非線性，不同的電流段有不同的誤差，在電路上采取相應的補償校正措施比較困難。

2.3 電流互感器本身存在固有的誤差

我們都知道，電流互感器本身的磁化力等于原邊磁化力和副邊磁化力的矢量和即：I0W0＝I1W1＋I2W2主要與鐵芯的導磁率有關。電流互感器電流誤差△I的大小與其本身所需的磁化力、一次電流的大小及高頻下相對較大的漏磁通、磁滯損耗有關。電流互感器本身所需的磁化力越大，電流誤差△I也越大;電流互感器一次電流小得多時，電流誤差△I會很大;電流互感器尺寸較大時，高頻下的漏磁通、磁滯損耗會較大，電流誤差△I也會變大。由于目前常用的如LMZ、LMZJ等型號的小變比單匝電流互感器外形尺寸大小、導磁用材料基本相同，一次額定電流均在200A以上，當一次電流增大到額定電流附近時電流互感器本身的磁化力和高頻下的漏磁通、磁滯損耗是可以相對減小到一定程度，可使電流誤差△I最小。但是洗液泵一次電流太小，正常運行時為10A左右，一次電流在鐵芯中產生的磁化力不足以維持電流互感器本身的磁化力，另外，變頻器電源側含有的高次諧波使電流互感器的漏磁通、磁滯損耗也相對較大，反映到二次側的電流就很小，這樣在電流互感器二次負載并不大的情況下電流互感器的變比誤差會很大。

2.4 控制電纜的容抗使電流表數(shù)值降低

為了縮短變頻器與電機之間的動力電纜長度，變頻器一般設置在距離電機不遠的地方，相對來說控制電纜也不是太長，但是變頻器電源輸入側的電流中含有大量高次諧波，控制電纜本身有一定的電容量，對于高次諧波來說，控制電纜的容抗相對比較小，反映到電流互感器二次回路中的部分高效次諧波沒有通過電流表，而直接通過了控制電纜電容返回了電源側，實際通過電流表的電流減小了，這一點從變頻器柜上電流表和現(xiàn)場控制箱上電流表指示值相差較大的實際情況可以得到證實。

3 解決的對策

根據以上的分析，結合現(xiàn)場的實際情況，我們提出了相應的對策：

3.1 改變電流互感器安裝的位置

將對變頻器電流的采樣從變頻器輸入側移至輸出側，主要原因有：

（1） 變頻器輸出側電流中雖然也含有大量的高次諧波，但由于變頻器采用正弦波SPWM調制，輸出電流波形接近正弦波，有效值是平均值的1.2～1.5倍，采用整流系儀表顯示時，可以通過適當?shù)姆绞綄ζ湔`差進行補償。

（2） 由于變頻器電源輸入側電流波形是輸入電壓波形峰值處帶雙尖峰的間斷脈沖，輸出側電壓波形是等高而寬度按正弦波形變化的矩形脈沖，輸入和輸出側的電流波形是在相同的電壓（最大值）下形成的，在輸入側和輸出側的電流應基本相同，在輸出側對變頻器電流進行測量不會引起大的誤差，而且在輸出側對電流進行測量，從電機角度來說更符合實際。

3.2 對電流表選型

隨著技術的發(fā)展，能夠反映電流有效值測量工具越來越多，但是都比較昂貴。變頻器說明書上推薦使用電磁式電流表，它是利用電流信號產生的磁場使固定鐵片和可動鐵片相互吸引或排斥，帶動測量機構偏轉而指示電流值的，測量機構的偏轉角近似與所測電流的平方成正比，基本上能反映含高次諧波電流的有效值。但這種型號的電流表準確度相對較低，在電流較小時，誤差較大;由于它利用磁場轉動且本身磁場較弱，易受外磁場的影響，有時誤差會大一些。在將電流互感器的位置移至輸出側后，由于電流波形趨于正弦波，有效值和平均值差值不是太大，在現(xiàn)場對電流顯示要求不是太高的情況下可采用1T1動鐵式電流表或整流系儀表（但需進行補償）均可，我們仍然采用了原有42L6-A 20/5整流系電流表對變頻電流進行顯示。

3.3 解決電流互感器本身固有誤差的辦法

采用增大一次電流的方法，在電流互感器的一次側增加一定的匝數(shù)，將電流互感器一次側電流調整到100A左右，使電流互感器本身的磁化力和漏磁通達到比較小的程度。

為此，我們作了如下的改動，在變頻器輸出側增加200/5的電流互感器，在200/5的電流互感器一次側纏繞13匝，實際變比為15.385/5，在二次側比20/5電流互感器多計量電流30%，可用于補償有效值和平均值之間的誤差和二次回路中的各種損耗。實際電流互感器按20/5計算。這樣做的目的是在電流互感器一次側增加電流值時，實際的電流互感器變比并不變，與原有設計相符（只需在更換后的電流互感器上掛牌標明原變比和實際變比，以備日后核查）。這樣按正常時洗液泵電機回路電流10A計算，電流互感器一次側在纏繞13匝后電流可以達到130A左右，從而使電流互感器本身的磁化力和高次諧波引起的漏磁通達到相對比較小的程度，而高次諧波引起的磁滯、渦流等各種損耗也由于二次回路的去磁作用不會明顯增大，相對保持在一個較小的范圍內。我們首先對變頻器柜上電流顯示回路進行了改造，電流對比如附表所示，附表中用42L6-A顯示的電流仍存在一些誤差，但在對電流顯示要求不是太高的情況下，采用這一方法是可行的。

3.4 解決現(xiàn)場控制箱上電流誤差的辦法

從變頻器柜到現(xiàn)場控制箱的點電纜有30m左右，為減小電纜帶來的傳輸誤差，我們利用了現(xiàn)場控制箱相對比較大和洗液泵主回路電纜截面比較小的有利條件，在現(xiàn)場控制箱內加裝了一個電流互感器，把主回路電纜穿入了控制箱，從主回路的一相上取得了電流信號。直接在控制箱上采用42L6型電流表進行顯示。

3.5 解決主控室變頻調速電機電流誤差的方法

由于變頻器室接近電機負載，相對增加了變頻器柜與主控室的距離，同樣為了減小電纜帶來的傳輸誤差，在變頻器輸出側增加200/5的電流互感器，一次側纏繞13匝的基礎上，又在變頻器柜內增加了BS4I型電流變送器，將電流互感器回路的0～5A含有大量高次諧波的電流信號轉變?yōu)?～20mA直流信號，通過原電纜傳輸至主控室計算機柜，在計算機柜上采用RZG－21004～20mA/4～20mA信號隔離器進行現(xiàn)場與主控室信號的隔離，保障計算機系統(tǒng)的安全。

4 結束語

通過以上改動后，變頻器柜、主控室、現(xiàn)場控制箱上電流顯示雖然仍存在一些誤差，但在現(xiàn)場對電流顯示要求不是太高的情況下，基本上能滿足對電流顯示的要求，是一種比較實用的解決變頻電流顯示的方法。