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维修电工高级技师评审论文
2008维修电工高级技师评审论文NO
高压变频器在苍南引供水公司应用及节能效果
苍南平原引供水有限公司吴光省
2008年 6月 15日温州市
2008维修电工高级技师评审论文
高压变频器在苍南引供水公司应用及节能效果
苍南平原引供水有限公司吴光省
摘要：
本文着重介绍了高压变频器的工作原理和节能原理及在苍南平原引供水公司送水泵站中的应用和最佳节能方式探索中得到的经验。
结果表明，采用变频装置调速后，不仅实现了电机的软启动，节约了维修费用，同时平滑调节管网压力安全生产，节约电费降低制水成本，使送水泵站成为名副其实的节能型泵站。
关键词：
高压变频器恒压运行拓扑结构节能效果
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2008维修电工高级技师评审论文
摘要ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
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引言ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
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第一章绪论ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
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一、供水系统的能耗问题ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
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二、变频器节能的理论依据ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
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三、中国高压变频器技术现状与主要ּ分类ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
四、采用高压变频的必要与可行分析ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
第二章泵站高压供水系统的高压变频恒压供水系统改造一．系统方案ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
二.HARSVERT-A10/015型高压变频装置原理 ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
三．HARSVERT-A10/015型高压变频控制系统ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
四、恒压供水系统原理及PID调整ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
五、电气安装ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
六、应用高压变频调速系统的节能效果ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
七、应用高压变频调速系统生产的其他效果ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
八、高压变频调速系统的问题与改善ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
结束语ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
参考文献ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
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引言
苍南平原引供水公司成立于年,担任着苍南江南平原地区60万人口的供水任务,日设计供水量为10万吨。
其送水泵房共有7台水泵机组，10kv/250kw二台，380v160kw二台，380v90kw二台，380v55kw一台,采用工频运行方式,泵站自1998年3月投入试运行.但由于实际需求输水总量为6-7万吨/日,所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量.。
以保证生产厂的处理平衡的需求。
这不但操作麻烦、难以控制，而且能源浪费大。
同时，根据预测，在近二、三年内还尚未能达到10万吨/日的需求量。
鉴此，为了资源的合理利用和能源的节约，保证输水管网的安全可靠运行，拟考虑安装变频调速装置，并经过经济技术评估，认为是可行的，于2003年3月筹划建设该技改项目。
通过社会调查和筛选，决定选用北京利德华福公司制造的HARSVERT-A10/015高压变频调速装置,并于2003年12月投入使用。
实践证明,将近4年多时间的运用高压变频调速装置是切实可行的,公司的加压水泵明显降低了能耗,提高了工作效率。
第一章绪论
一、供水系统的能耗问题
苍南平原引供水公司担任了苍南江南平原地区60万人口的供水任务,日设计供水量为10万吨。
泵站自1998年3月投入试运行。
但由于实际需求输水总量为6-7万吨/日，所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量。
以保证生产厂的处理平衡的需求。
这不但操作麻烦、难以控制，而且能源浪费大。
同时，根据预测，在近二、三年内还尚未能达到10万吨/日的需求量。
因此如何安装有效装置,实现水泵机组自动调速,节约能源就成了加压水泵站的工作重点。
二、变频器节能的理论依据
苍南平原地区的各乡镇的用水量是不均匀的,这是由于气候和人们生活以及生产规律所决定的.由于流量的变化从而影响到管网水头损失的变化,尤其是地势平坦的地区,在几何扬程很小的情况下,送水泵站出口所需压力随流量的变化更为显著.水泵站的装机是按最不利条件下`最大时流量和所需相应扬程决定的.而实际上每天内只有很短时间能达到最大时流量,大多数时间里,水泵站都处在小流量下工作.为了适应流量的变化,先前泵站在运行中多采取关小出口闸门的办法来控制流量,从而造成出口闸门前后的压力差值（少则多米,多则几十米）就白白地浪费于闸门阻力上.当水泵台数足够多时,是可以很好地适应水量变化的,但是水泵型号是有限的,装机台数过多,不仅管理不便,而且会无谓地增大建筑面积,提高工程造价,即使这样,也无法做到完全适应水量变化,还需要用闸门来调节水量.为此,采用水泵机组高压变频调速技术,可连续地改变水泵转数,来变更水泵工况,使其流量与扬程适应于管网用水量的变化,从而提高机组效率,维持管网压力恒定,达到节能的效果.我们从水泵调节原理得知，当水泵拖动电机工频运行时，出力为额定值，转速及功率亦为额定值；当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求。
根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间的关系为：
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三、中国高压变频器技术现状与主要分类
由于高压大功率交流传动应用场合的限定，评价高压变频器的表现需要了解多方面的技术指标——可靠性、冗余设计、谐波含量、损耗等等的因素。
由于对高压变频器性能的辨识还没有到更多技术细节的程度,因与低压变频器统一的拓扑结构不同，高压变频器为解决功率器件的耐压问题，不同厂家采用了不同的拓扑结构，从而形成了多种技术流派。
（一）功率器件串联二电平电流型的代表厂商是Rockwell，早期代表产品有Bulletin1557，以GTO为功率器件；近几年，又推出了PowerFlex7000，使用SGCT替代GTO。
优点是变频器可以四象限运行，缺点是功率因数随调速曲线变化，低速时功率因数随之变的很低。
另外，只有6kV产品，无法适配10kV电机。
（二）中性点钳位三电平PWM的代表厂商是ABB和西门子。
Abb公司代表产品有ACS1000，IGCT为功率器件；西门子公司主推SIMOVERTMV系列产品，以高压IGBT为主要功率器件；此技术方案最高输出电压仅有4.16kV（abb公司），不能适配10kV电网。
（三）利德华福、罗宾康为代表的单元串联多电平技术方案。
代表产品有HARSVERT-A系统，PerfectHarmony，以低压IGBT为功率器件，通过逆变H桥的串联形成高压。
就目前的市场份额而言，以利德华福为代表的单元串联多重化电压源型变频器销售量占据优势，并且是国内产品的主要技术类型。
其使用单元串联多电平的拓扑结构，可以直接使用成熟的低压变频器技术方案，具有对电网谐波污染小，输出波形多电平，正弦度高，适配普通国产异步电机的优点。
该类型产品，输出电压可以直接到10kV，输出不需要加装升压变压器及滤波电抗器，结构简单。
（四）在以上的拓扑结构之外，成都佳灵采用了直接串连的拓扑结构，但这种技术的成熟度市场还没有定论。
如果在技术上实现了稳定应用的突破，将是一种极有前景的技术，将对市场格局产生重大影响。
但是目前从市场反应来看，成都佳灵仍然有很长的一段路要走。
四、采用高压变频的必要与可行分析
根据预测，苍南平原引供水公司在二`三年内还尚未能达到10万吨/日的需求量,并且也无法满足各个受水厂提出来的要求泵站供水压力能保持恒定以满足其制水加药的要求.鉴此，为了资源的合理利用和能源的节约，保证输水管网的安全可靠运行，苍南平原引供水公司拟考虑安装变频调速装置, 在考察对比了国内外多家高压变频器生产厂家后,决定选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。
HARSVERT-A系列高压变频器技术先进,可靠性高,输出电压波形好，并且已在电力、冶金、石化、市政供水、水泥等多个领域成功应用，得到了用户的普遍认可和市场的长久考验。
并经过经济技术评估，认为是可行的，于2003年3月筹划建设该技改项目。
第二章泵站高压供水系统的高压变频恒压供水系统改造
一．系统方案
根据实际情况确定的调速方案为：
选择1、2号泵为可调速水泵，正常运行时其中任一台运行于调速状态，而另一台泵作为备用，也可随时投入工频状态运行。
两台泵运行状态的切换采用手动方式。
并要求两台泵不能同时投入变频状态，或同时投入工频状态运行，对此要求，在设计旁路切换柜时特别设计了机械联锁装置。
开环或闭环自动恒压供水。
带阀门联动功能。
变频器与现场设备接口图如下：
变频器与现场设备一次接线图如下
其中：
高压紧急分断信号与KM1高压开关控制跳闸回路并联,高压合闸允许信号与KM1高压开关控制合闸回路串联,M1,M2,阀门开全,关严信号取自阀门行程开关的空节点.M,1M2,阀门开阀,关阀信号与阀门开阀,关阀控制回的开关阀按钮并联.M1,M2,水泵重故障信号取自水泵控制保护柜的空节点.
二.HARSVERT-A10/015型高压变频装置原理
HARSVERT高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
变频装置10KV系统结构由移相变压器、功率单元和控制器组成。
10KV系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。
每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构见图1，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图2所示的波形。
图3.功率单元电路结构
图4.单元输出的PWM波形
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图3所示的阶梯正弦PWM波形。
这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
图5.HARSVERT-A系列变频器的输出波形
当某一个单元出现故障时，通过使图1中的软开关节点K导通，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，可减少很多场合下停机造成的损失。
三．HARSVERT-A10/015型高压变频控制系统
变频器控制系统接收用户的控制指令（启动，停机，急停，频率给定等），对各功率单元进行触发，封锁，旁路等控制，使变频器提供相应用的频率和电压输出。
控制系统还对变频器各剖件的状态（如各个功率单元，变压器，水泵等）进行监控，提供故障诊断信息，实现故障的报警和保护。
在现场应用中，控制系统负责与现场接口，提供阀门联动，自动调度等现场需要的控制功能。
内置plc，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要。
为了实现控制部分和高压部分完全可靠隔离，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，系统具有极高的安全性能，同时具有很好的抗电磁干扰性能。
四、恒压供水系统原理及PID调整
由于苍南平原引供水公司泵站是新改建工程，用水负荷需要在实际运行时进行精确调整和测量，因此采用的是恒压供水系统，其工作原理如图4所示,测量元件为压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。
变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。
不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。
图6恒压供水系统工作原理框图
（一）在PID控制中，比例增益P加大，会使系统的动作灵敏，速度加快，P偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
当P太大时，系统会趋于不稳定。
若P太小，又会使系统的动作缓慢；
（二）积分I的作用主要是消除系统的静态误差。
但过强的积分作用使供水系统超调加大，甚至引起振荡。
所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。
（三）微分D的作用主要是改善供水系统的动态性能。
增大微分时间，有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加，但抑制外扰能力下降。
所以微分时间常数应该在供水系统控制要求的前提下而随机改变。
即在调节过程初期，应加大微分的作用，以减小超调；在调节过程中、后期，应不断减小微分时间，以增强系统的抗干扰能力，同时还可以缩短调节时间。
泵站变频器在运行初期，供水系统采用恒压闭环控制，运行中发现运行频率曲线呈锯齿波，上下波动幅度较大，因此对PID系数进行调整，将P由1改为0.01、I由4改为20。
通过几次逐步调整，现运行曲线较为平缓，波动幅度相当小。
变频器根据偏差相应调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持供水系统的恒压稳定状态。
五、电气安装
电气安装主要包括柜体到现场的输入输入高压电缆，柜体之间的连接线，柜体和现场的控制及信号线的配线。
（一）电源及电机线的连接，输入电源线连接到端子L1，L2，L3；电机线连接到U，V，W，并注意相序关系保输入电压满足要求确确保电源线的线径及耐压满足要求；确保输入侧高压开关已经采用了有效的防雷措施。
（二）控制线的连接控制柜连线主要包括控制电源进线，远程控制接线，检测信号线，模拟量输入线，现场状态接线，开关量输出接线。
（三）电气安装注意事项；输入和输出的高压电缆必须经过严格的耐压测试，输入和输出电缆必须分开配线，防止绝缘损坏造成危险现场到变频器的信号线，应该与强电电线分开布线，信号线必须采用绞线的方式，最好采用屏蔽线，屏蔽线的一端可靠接地。
要一直保证变频器柜体和厂房大地的可靠接地，保证人员安全。
要一直保证变频器柜体和厂房大地的可靠接地，保证人员安全。
电气安装时,应为控制系统埋设专用接地极。
测量变压器的绝缘电阻及进行工频耐压试验之前，必须断开变压器和功率单元。
六、应用高压变频调速系统的节能效果
根据泵站供水系统改造之前的报表分析计算得1000t水耗电率为98度电，改造之后1000t水耗电率为92度电.我泵站一年节电6×70×360=15120度电。
并且随着供水量的增加我泵站供水系统采用一台工频，一台变频两台高压电动机供水方式节能效果更显著。
七、应用高压变频调速系统生产的其他效果
（一）改善了工艺。
在实际生产操作过程中，泵的参数（尤其是流量）需时常调整，不仅需要调节参数，而且备用设备需时常切换。
根据工艺的变动，工艺参数又主要通过调节出口阀来控制，人工关小或开大阀门不仅费事，速度慢，也缩短阀门的寿命（填料及阀杆的磨损）采用变频调速就不用调节出口阀，只需要控制室内调节电机的转速即可。
变频启动转速可以从零开始逐渐升高，因此带负荷直接启动不会有较大的启动电流，避免了通常泵组首先关闭出口阀后再启动的要求（无载启动是为了降低启动电流，保护电机）。
（二）维护量减少。
采用变频调速后，可能避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动，严重时会引起悬臂泵轴头断裂。
通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低泵的转速。
由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件，特别是密封，轴承的寿命。
（三）工作强度降低。
由于调速系统在运转设备与备用设备这间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由动手转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。
（四）减少了对电网的冲击。
采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流只是额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了启动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
八、高压变频调速系统的问题与改善
高压变频器在安装时对安装的环境考虑不周到,引起夏天高压变频器运行温度偏高需要安装空调才能满足高压变频器运行温度的要求并且室内环境温度偏高,引起变频器频繁过热保护。
而且空调的可靠性会影响变频器的稳定运行,空调运行费用偏高，我们根据本站变频器的运行和环境情况对目前高压变频器的三种冷却方式进行分析决定采用安装风道加空调的方式进行改造,利用变频器原有的排风扇加装通风通道将热风引出室外,改装散热风道及空调后问题解决。
另外，由于泵站处于平原地带，夏季雷雨台风季节，雷电频繁，变频器因此出现异常。
后通过改善接地，加装避雷装置，问题得到一定解决。
结束语
高压变频器控制水泵机组，大大改善了供水、净水生产及现场环境，完全达到了生产工艺要求。
PLC控制技术、Profibus总线技术和高压变频技术的完美结合，使得集成自动化程度高，运行稳定，操作简单，节能高效明显等优点用。
苍南平原引供水公司高压变频器控制系统的成功应用，对于节约电能、提高效益、技术创新，都具有很高的经济价值，值得推广。
但要想送水泵站每台泵实现优化运行，就要研究其定性与定量的运行规律。
根据苍南平原引供水公司地区用水曲线、出厂压力与管网压力控制点，清水池水位等参数，正在建立优化控制数学模型，在此基础上，下一步定量控制泵站定速与变频调速机组优化运行时的流量、扬程、效率变化规律。
这样可以根据用户对于用水量与扬程要求，实现最优化控制。
这种方式实现之时，便可以满足用户对水量、水压的需要，又达到明显降低电耗的目的,这是我们面临的一个艰巨的、必须攻克的难题。
送水泵房水泵机组调速的经济效果很明显，比不调速节能8％左右，而且设备运行可靠，操作维护方便，由计算机控制，实现了泵站优化控制，现代化管理。
要继续努力,力争将送水泵房水泵机组调速的经济效果更明显，比不调速节能15％左右，将苍南平原引供水公司供水泵站建成国内外先进水平的泵站。
参考文献
1俞金寿，何衍庆等.集散控制的原理及应用.北京：
机械工业出版社，1994
2陈国呈,PWM变频调速及软开关电力变换技术.北京：
机械工业出版社,2003
3马小亮,大功率风机,泵节能调速发展方向探讨.电气传动.1999
（1）
4陈伯时,陈敏逊.交流调速系统电气自动化新技丛书.北京：
机械工业出版社,1998
5HARSVERT-A高压变频调速技术培训教材.北京利得华福电气技术有限公司
致谢
此项工程（课题）已于2008年6月基本完成，本次高级技师培训也即将结束。
在此，我要感谢温州机电技师学院提供了我们宝贵的培训机会，感谢所有老师和关心、支持过我的领导与合作过的同事，他们在我工作、进修培训过程中给予了很大的帮助。
本文能够成功地完成，要特别感谢李总工程师和培训指导老师刘老师的关怀辅导，诚挚感谢本文参考和引用的各位文献作者。
谨以此文献给他们！
变频器在使用中遇到的问题和故障防范由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。
为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。
外部的电磁感应干扰
如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。
提高变频器自身的抗干扰能力固然重要，但由于受装置成本限制，在外部采取噪声抑制措施，消除干扰源显得更合理、更必要。
以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法：
变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置，如RC吸收器；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离；指定采用屏蔽线回路，须按规定进行，若线路较，应采用合理的中继方式；变频器接地端子应按规定进行，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装噪声滤波器，避免由电源进线引入干扰。
安装环境,电源异常,雷击、感应雷电,电源高次谐波
1,安装环境
变频器属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要求。
在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：
振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
除上述3点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。
对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空间加热器等必要措施。
2,电源异常
电源异常表现为各种形式，但大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混和形式。
这些异常现象的主要原因多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。
而雷击因地域和季节有很大差异。
除电压波动外，有些电网或自行发电单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。
如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，应和变频器供电系
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