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变频器的主电路 异步电动机的低频带载能力 过了几天，厂里从外地新买了一台变频器，卖方的售后服务人员将变频器接通电源，略调整了几个数据，输出侧接上电动机，在机器空转的情况下，进行了几次起动、停止和调节频率的操作后，就回去了。但当机器带上负载后，电动机竟转不起来，时间稍长，变频器就因“过载”而跳闸了。小孙没了主意，就打电话给张老师，要到老师家求教。 “你这个问题说来话长了。”小孙一落座，张老师就拿出了一叠图纸，但并没有马上打开。问小孙说：“还记得在变频时，为了使电动机的磁通保持不变，在变频的同时还必须变压的原理么？” “当然记得。”小孙说着，就在纸上边写边说： “保持磁通不变的条件是： “好。”老张微笑着点点头，接着拿出了图2－14，说： “你方才写的‘ku＝kf’，可以用u/f曲线来表示，如图（a）中的曲线①所示。这根表示电压与频率成正比的u/f 线称为基本u/f线。它表明了：变频器输出的最大电压为380v，等于电源电压。而与最大输出电压对应的频率，称为基本频率，用fba表示。 在绝大多数情况下，基本频率应该等于电动机的额定频率，并且最好不要随意改变。 需要特别注意的是，基本u/f线是满足式（2－8）的曲线，它并没有真正地满足式（2－7）的条件。那么，结果怎么样呢？你还记得电磁转矩的公式么？” “记得。”小孙一边回答，一边写了下来： 变频时和磁通有关的因素 “好，在这公式里，电流是不允许超过额定电流的： 可见，电阻压降是不随频率而变的。 式（2－10）表明，当电动机以频率fx运行时，磁通的大小和以下因素有关： （1）变频器的输出电压u1x（电动机的电源电压）：u1x越大，磁通也越大； （2）电动机的负载轻重：负载越重，则电流越大，磁通将减小。 （3）电阻压降在电源电压中占有的比例：因为当频率下降时，变频器的输出电压要跟着下降，但如果负载转矩不变的话，电阻压降是不变的，电阻压降在电源电压中占的比例将增大，也会导致磁通减小。 低频运行时磁通会减少 让我们来进行一些粗略的计算。首先，作一些近似的假设： （1）资料表明，电动机的电阻压降约为（30～40）v，容量小者，电阻压降较小，容量大者，电阻压降也较大。为方便计算起见，今假设为30v。 （2）把式（2－3）的复数关系近似为代数关系： 图（a）所示，是额定状态时的情形。运行频率为50hz，对应的电压为380v，如上述，电阻压降为30v，则反电动势等于350v，反电动势与频率之比等于7.0，这时的磁通应该是额定磁通，其相对值为100%。 图（b）所示，是运行频率为10hz时的情形。在ku＝kf的前提下，对应的电压为76v，而电阻压降仍为30v，则反电动势等于46v，反电动势与频率之比等于4.6，磁通的相对值只有66%。 瞧，低频运行时，磁通减小了，所以，在ku＝kf的前提下，电动机的机械特性曲线簇如图2－16所示。由图可知，当频率下降时，理想空载点下移，但机械特性的‘硬度’基本不变，而电动机的临界转矩将减小，从而，其带负载能力下降了。如果你们的设备要求重载启动的话，它就难以启动了。” 转矩提升 “那??，就是说，要想办法在低频运行时也能得到额定磁通，那就只有加大变频器的输出电压了，是不是？”小孙说。 “对，”老张随手拿出了图2－17，接着说： “如图（a），在10hz时要想得到额定磁通，反电动势应该有70v才行，加上电阻压降，变频器的输出电压需要有100v。就是说，应该在原来的76v的基础上，再补偿24v。使实际的u/f 线如图（b）中的曲线②所示。这种通过适当地补偿电压来增加磁通，从而增强电动机在低频时的带负载能力的方法，称为电压补偿，也叫转矩补偿，但在变频器的说明书里，普遍地叫作转矩提升。 很明显，运行频率不同时，电压的补偿量也是不一样的。那么，怎样来表述曲线②呢？在变频器里，通常把0hz时的起点电压uc定义为电压的补偿量。” “变频器里，是怎样提高电压的呢？”小孙问。 这个问题老张事先并无准备，于是他拿出一张纸来，随手画了起来，如图2－18，然后说：“还是拿单极性调制来说明吧，调节电压时，载波是不变的。但调制波的振幅值必须按所需电压改变。图（a）是电压较低时的情形，得到的脉冲序列的‘占空比’较小；图（b）是电压较高时的情形，得到的脉冲序列的‘占空比’较大。” “啊，要是补偿得正好，可以使低频时的临界转矩和额定频率时一样大。”小孙一边说，一边就在张老师的纸上画了起来，如图2－19所示。 “理论上是可以的，但在实际工作中，还有其他问题需要考虑，例如散热问题等。这，留待后面再讨论吧。” 小孙回厂后，按照说明书，加大了转矩提升量，那台设备就启动起来了。人们向他竖起了大拇指，小孙心里也很得意。心想：只要低频时也能够带动负载，变频调速大概也掌握得差不多了。可是?? 转矩提升不能过分 没过几天，厂里为离心浇铸机配了一台变频器。售后服务人员听相关工程师介绍说，当运行到40hz以上时，浇铸机的罐内要灌入铁水，以备浇涛。灌入铁水后，电动机处于满负荷状态，个别时候，还可能短时间过载。所以，在预置转矩提升时，他把提升量预置为15%，结果，电动机启动时，当频率上升到10hz时，变频器跳闸了，显示的原因是“过电流”。售后服务人员以为电动机的转矩还不够，又把转矩提升量增大为25%，结果频率上升到不到6hz就跳闸了。售后服务人员慌了手脚，打算回去换一台变频器。小孙说，“且慢，等我问问老师看。” 张老师在电话里听小孙介绍完情况后，告诉小孙说： “你把转矩提升量降为0就可以了。” 售后服务人员抢过了电话，说：“老师，那不行，它灌了铁水后负荷可是很重的啊！”老师说：“你先试试看，过十分钟再给我来电话。” 就在售后服务人员和张老师通话的过程中，小孙把转矩提升量降到了0。结果，售后服务人员的电话还没放，就惊讶地说：“真转起来了。” 问题虽然解决了，但小孙心里，还是懵里懵懂的。所以，打算当晚又到张老师家去。张老师在电话里说： “来之前，你要带好几个数据，包括：电动机的额定数据，以及加铁水前后的运行电流。” 电动机的额定数据是现成的：90kw、164.3a、1480r/min。然后，在运行过程中，小孙又测量出：加铁水前的运行电流约为50a；加铁水后的运行电流约为160a，个别时候，可能达到170a。 老张已经准备好了图2－20等着他呢。 小孙落座之后，张老师就分析说：“根据你们的介绍，这台浇涛机的机械特性如图（b）所示，线段①是40hz以下时的特性，电动机的负荷率约为30%；线段②是40hz以上时的特性，负荷率约为97%。电动机在启动过程中处于轻载状态。 再看u/f 线，图（c）中的曲线①是补偿量为0时的u/f 线，曲线③是补偿量为15%时的u/f线，曲线④是补偿量为25%时的u/f线。由图知，当电压补偿量为15%时，10hz（20%fn）时的电压为额定电压的32%（121.6v），根据粗略估算，磁通约为额定磁通的120%，电动机的磁路处于饱和状态，励磁电流中因出现较大的尖峰电流而使变频器跳闸。当把补偿量上升为25%时，10hz（20%fn）时的电压为额定电压的40%（152v），根据粗略估算，磁通约为额定磁通的160%，电动机的磁路处于高度饱和状态，励磁电流中出现很大的尖峰电流而使变频器跳闸。 因为浇涛机要到40hz以上才灌入铁水，而40hz以上时，u/f线一般是可以不必补偿的。故将转矩提升量预置为0，使10hz（20%fn）时，变频器的输出电压为额定电压的20%（76v），就可以顺利启动了。
一般说来，φ＊超过110%，磁路就开始饱和了，超过120%已经是过饱和了。可见，磁路已经处于严重饱和状态，其励磁电流如图（c）所示，其峰值可以超过额定电流的若干倍，导致变频器过电流跳闸。” “原来是这样。”小孙高兴地说。他看了看表，时候已经不早了，就说： “今天就到此为止吧，老师也该休息了。”小孙迅速地记好了笔记，就告辞了。 3 关于u／f线的讨论 怎样预臵转矩提升？ 小孙回去后，尝试着要为几台机器的变频器重新校核一下转矩提升量。可是，一到现场，却又感到无法下手了。经过联系，他又到了老师家里，问： ?机器在选择电动机时，常常会留有相当的裕量，我该怎样来确定转矩提升量？此外，我没法知道负载的阻转矩究竟多大，又怎样知道它的负荷率呢？? ?问得好。?张老师高兴地点了点头。然后说： ?我们倒过来，先解决第二个问题。粗略地测定负荷率的方法很简单，你只要在工频运行时，测定电动机的最大运行电流，该机器的最大负荷率就出来了：
第一类，可以叫作‘类型与提升量分别预臵型’。这是比较普遍的一类，如图2－22所示。进行功能预臵时，需分成两步： 第一步：首先要根据负载的特点选择u／f线的类型。图（a）中，曲线①是恒转矩负载的u／f线；曲线②是一次方律负载的u／f线；曲线③是二次方律负载的u／f线。 第二步：根据负载需要的低频特性，决定转矩提升量，如图（b）和图（c）所示。 第二类，可以叫作分类预臵型。这是比较特殊的一类，主要见于富士变频器，如图2－23所示。
第三类，是分段补偿型。u／f线的形状由若干段折线构成，比较随意。图2－24中，图（a）是两段补偿型，图（b）是多段补偿型。 预臵时，用户首先根据负载的需要，确致形状，如图（c）中之曲线①所示，然后画出它的等效折线，如曲线②和③所示。最后，算出折线上各拐点的坐标，然后按拐点的坐标预臵对应的频率和电压即可。 自动转矩提升的优缺点 许多变频器不都有自动转矩提升功能么？都采用自动转矩提升功能不就可以了么，为什么还要费事去预臵手动转矩提升呢？?小孙问。 但是，你有没有注意到，不少变频器说明书上都说，用了自动转矩提升后，对于某些负载，在某些频率段可能出现振荡现象呢。我也曾用过自动转矩提升功能，调试时觉得还可以。可是，后来用户反映，说有时候运行不稳定，就又改回到手动转矩提升了。这大概就是大家不喜欢用的原因吧。不过，自动转矩提升可以提高电动机的启动转矩。所以，对于一些需要重载启动的负载，采用自动转矩提升还是有好处的。
还有，自动u／f线为什么都是平行的呢？?小孙在纸上画了个图2－25，问： 这主要和变频器的工作过程有关。手动提升时，只要预臵了提升量uc，在不同频率时需要补偿的电压也就决定了，例如，在图2－26（a）中，只要预臵了uc＝10%（38v），则变频器很快就算好了在不同频率时的补偿量，如10hz时的补偿电压为24v，25 hz时的补偿电压为15v。
而在自动转矩提升时，变频器在运行期间，始终处于自动搜索的状态。当发现转矩不足时，增加一个δu（如5v）试试看，如仍不足，则再增加一个δu，如图（b）那样。因为不论频率多大，每次搜索的频率增量都是相同的，所以是许多的平行线。正因为变频器始终处于自动搜索的状态，所以容易引起振荡。 基本频率也可调整 一天，一台进口设备中的三相220v的变频器坏了。该设备中是自行配备了三相变压器为变频器提供电源的。可是，小孙多方联系，也买不到三相220v的变频器，这可是一台关键设备呀！没办法，只好又求救于张老师。 小孙又到张老师家，刚一落座，张老师就说： ?你可以购买一台三相380v的变频器。? ?那……，行吗？?小孙瞪大了眼，惊讶得几乎合不拢嘴。 ?当然要采取一些特殊措施啰。?张老师拿出了图2－27。说：
你可以通过提高基本频率的方法来解决。 首先，在u/f坐标系内做出实际需要的u/f线oa，a点对应于50hz，220v。延长oa至与380v对应的点，如图中之b点。按比例算出与b点对应的频率：
把基本频率预臵为86hz就可以了。瞧，86hz对应于380v，则当工作频率为50hz时，对应的电压便是220v了。? ?您不是说过，基本频率最好不要随意改变的吗？? ?可这不是特殊情况么？?张老师笑着反问道。然后又说： ?前几年，我曾处理过一台特殊电动机，它的额定数据是270v、70hz。你看看，该怎么解决呀？?
小孙略思索了一会儿，就拿起一张纸画了起来，如图2－28，然后说： 首先，在u/f坐标系内找到与（70hz、270v）对应的点c。则c点便是该电动机的额定工作点，直线oc是它的基本u/f线。 将oc延长至与380v对应的点d。按比例算出与d点对应的频率：
把基本频率预臵为98hz，就是说，使98hz对应于380v，而当工作频率为70hz时，对应的频率就是270v了。小孙抬起头，望着张老师，仿佛说：对吗？ 很好。?张老师高兴地点了点头。 ?我想起来了，?小孙又拍着脑袋说?厂里有一台电动机的额定数据是：420v，60hz。当时的售后服务人员把基本频率预臵为60hz，我们总觉得它力量不大够，在50hz运行时，电流在额定电流上下波动。但售后服务人员说，只能这样了。 现在看来，要是把基本频率预置为50hz，是不是要好一些？? ?粗略地说，基本频率预臵为50hz是可以的。但是，你能不能细致地算一算？? 小孙拿起了笔和纸，边画边算了起来：
啊，要是把基本频率预臵为54hz的话，就能够和它原设计的额定状态相同了。 这时，小孙的手机响了。他接听完以后，没等他说话，张老师便打趣地说： ?女朋友在催了，赶紧回去吧，否则可后果严重啊。? 没过几天，小孙又遇到了难题。 有一台机器，电动机数据是：pmn＝280kw，imn＝506a，配用315kw的变频器。长时间在40 hz的频率下运行，但电动机发热严重。车间主任要小孙解决一下。小孙拿了钳形电流表一量，电流竟达到了540a。 小孙把转矩提升功能预臵到上限值，电流仍在530a以上。小孙说：?这台电动机的容量不够，要换一台容量大一点的电动机。 可车间主任说，它的过载系数只有6.7%，能不能想想别的办法？ 小孙说，我去问问老师看。 张老师在听了小孙的情况介绍后，分析说： ?看起来，这台电动机在额定磁通的情况下运行时，电磁转矩已经不能再增大了。你可以加大一点磁通量试试看。 可我已经把转矩提升量预臵到最大了啊！再怎么加大磁通量呀？小孙疑惑了。
只见张老师拿起纸，又画了起来，如图2－30，接着说： 是啊，多数变频器仅靠转矩提升功能是无法加大u/f比的，如图（a）中的曲线②所示。 如果把基本频率略为减小一点，使u/f线如图（b）中的曲线③所示，则可以使40hz时的电压增加到340v左右，则电动机的磁通量可以比额定磁通增加大约10%。你去试一试，看结果如何？ 第二天，小孙又来，向张老师报告试验结果。他说： ?我把基本频率降低到46hz时，电动机的工作电流就减小为305～310a了。又降低到45hz时，电流基本上降到了额定电流以内了。可是，基本频率再往下降，电流就不再降了，反而又升了一点，不知是怎么回事？ 你这个实验做得好。张老师呵呵地笑了起来。是啊，基本频率是不能减小得太多的，否则将导致电动机磁路的饱和。按国家规定，电压的允许上限值为110%un，则磁通的允许上限值大体上也可以定为110%φ1n。 实测结果表明，普通电动机的磁通量超过额定磁通的10%时，磁路就开始进入磁化曲线的饱和段，那励磁电流就要发生畸变了。所以，如果必须通过减小基本频率来加大电动机的电磁转矩时，基本频率的下限值应以不低于45hz为宜。这就是为什么你把基本频率降到45hz以下时，电流不降反升的原因。 经您这么一说，我又想起一个问题来了。我们隔壁厂里，电压总是偏低，电动机的电流普遍偏大。用了变频器，能够解决这个问题么？小孙问。
图2－31 电源电压偏低的处理 “在一定范围内是可以的。张老师一边说，一边画出了图2－31，然后说： 电压偏低时电流偏大，是因为在50hz时的u∕f比小了，电动机的磁通减小了。用了变频器以后，可以在一定范围内把磁通提高到额定值。举例说，如果那个厂的电源电压只有350v，这是在国家的允许范围内的。为了把磁通提高到额定值，就应该加大u/f比，你可以通过适当降低基本频率来实现：
就是说，让46hz对应350v，那么在46hz以下的范围内，电动机的磁通都可以达到额定磁通，运行电流也就正常了。但是，在46hz以上的范围内，磁通还是有所减小的。尤其是如果工作在50hz的话，可以说，将毫无改善。 4 机械特性的调整 转差补偿功能 过了几天，小孙又带来了几个问题。第一个问题是，厂里有一台鼓风机，配置了变频器后。操作工总说，变频50hz时的风量，比工频运行时的风量小。就到处说，变频这玩意儿，不咋的，风量不足。
张老师听了后，说：“本来，因为脉宽调制存在着死区，所以，变频器在50hz时的输出电压，比工频电压略小些，风量小一点是正常的。如图2－32，工频运行时，电动机的机械特性是曲线①，当负载转矩为tq时，工作点在q点，转速为nq。变频50hz时，因为电压较低，机械特性变成了曲线②，工作点降到q1点，在同样的负载转矩下，转速下降为nq1。
本来，如果实在要大风量，只要把电动机切换到工频电源上不就可以了？但人家对新生事物抱有怀疑态度，倒是需要考虑的。怎么办呢？你只要加一点转差补偿就可以了。 所谓转差补偿，就是当负荷增加时，变频器在给定频率不变的情况下，将输出频率适当地增加一点，使机械特性变成了曲线③，工作点上移至q2点，转速也上升为nq2。从给定频率的角度看，就好像自然机械特性的转差被补偿了，机械特性变成了曲线④。宏观地看起来，就好像机械特性变硬了。 你回去，增加了转差补偿后，对操作工说，瞧，变频50hz时的风量比工频时还大些呢。”张老师笑着说。 “那其他设备上的变频器是不是都要预置转差补偿呢？”小孙问。 “一般不用。应用于恒转矩负载的变频器，对于50hz时的输出电压，已经进行了校准的，可以保证输出380v。而应用于风机、水泵类负载的变频器，考虑到应用在50hz时的情况并不多，并且也没有必要一定要输出额定电压，所以，不少公司就未作处理。说说你的第二个问题吧。” “第二个问题是”小孙翻了翻笔记本，然后说：“有一台机器，机械工程师在调试时，希望在极低的转速下运行，以便观察。我叫他把频率调到1hz，但机器动都不动。这是什么原因？” “是多大的电动机？”张老师问。 “是30kw、1970r/min的电动机。”小孙回答。 “你自己先计算一下，1hz时，电动机的同步转速和转子转速应该是多大？” 小孙于是算了起来： 1hz时的同步转速：
下垂功能 “还有，厂里一台桥式起重机的大车两边，各有一台电动机，两台电动机共用了一台变频器。可是，我测量了它们的运行电流，发现，它们的负荷分配很不均衡，有没有办法解决？”小孙说。 “当然有啊。”说着，张老师又找出了图2－33，然后说： “两台电动机负荷不均衡的原因，是由于它们的自然机械特性不可能完全一致，所以，它们在同一转速下的负荷量的差异较大，如图（b）所示。图中，曲线①是电动机m1的机械特性，曲线②是电动机m2的机械特性，当转速为某一转速nx时，m1的电磁转矩为tm1，m2的电磁转矩为tm2，由图可知，两者的差异是比较大的。 解决的办法，是预置‘下垂功能’，就是说，让电动机的转差加大，如图（c）所示。电动机m1的机械特性变成了曲线③，电动机m2的机械特性变成了曲线④，当转速仍为nx时，m1的电磁转矩变成tm3，m2的电磁转矩变成tm4，由图可知，两台电动机之间负荷量的差异就小多了. ” “啊，真好！”小孙不觉欢呼起来。接着又问：“这下垂功能还有其他用处么？” “ 有不少负载，从安全的角度出发，常常要求负载越重，转速越低。例如，如图2－34（a）所示的大商店里的电动扶梯在上行时，当扶梯上的顾客很多时，要求其速度自动减慢，以确保安全。电动机车和电梯，也有同样的要求。针对这种要求，就应该使机械特性变软，如图（b）中之曲线②所示。还有问题么？” “没有了，今天就到这里吧。”小孙说罢，就告辞了。 小 孙 的 笔 记 1．所谓转差补偿，是当电动机的负载增加时，适当地加大一点输出频率，使电动机的转速增大一点。由于变频器的给定频率未变，所以，从给定频率的角度看，转差补偿功能使电动机的机械特性?变硬?了。 2．下垂功能与转差补偿功能相反，是使电动机的机械特性变软。主要用于要求负荷越重，转速越低的场合。 下垂功能还可以使拖动同一负载的多台电动机的负荷量趋向均衡。 |
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