通用变频器原理与变频器选用原则

一通用变频器原理与变频器选用原则1 引言 目前，变频器在我国的应用正高速上升，但不少人员在应用方面常遇到困惑，需要一本详细的指导性的专门文献。本文试图从应用角度系统地讲述常见技术性问题，以对变频器应用涉足不 深的人员有所帮助。考虑到所面向的对象，文中没有高深的数学，但基本原理和丰富的多年实践 经验积累，相信会对读者有所收益。2 通用变频器基本原理 本资料所述通用变频器是指适用于工业通用电机和一般变频电机、并由一般电网供电(单相 220V、三相 380V 50Hz)、作调速控制的变频器。此类变频器由于工业领域的广泛使用已成为变频 器的主流。调速的基本原理基于以下公式:式(1)中: n1同步转速(r/min);f1定子供电电源频率(Hz); P磁极对数。一般异步电机转速 n 与同步转速 n1 存在一个滑差关系式(2)中: n异步电机转速(r/min); S异步电机转差率。由(2)式可知，调速的方法可通过改变 f1、P、S 其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频 率 f1，实现调速控制。由电机理论，三相异步电机每相电势的有效值与下式有关。式(3)中: E1定子每相电势有效值(V); f1定子供电电源频率(Hz); N1定子绕组有效匝数;m定子磁通(Wb)。 由(3)式可分成两种情况分析:(1).在频率低于供电的额定电源频率时采用恒转矩调速。（恒转矩调速(speed control of motor with constant torque)在全部调速范围内，电动机输出转矩的最大允许值不变的调速方法。 恒转矩调速概述在调速中，磁通为常值(通常为额定磁通)，I.(电枢电流)受电机发热的限制，其长期工作电流的最大值为额定电流，也为常值。因此，电动机的最大允许电磁转矩也为常值。 恒转矩调速原理恒转矩调速是用来表征电动机采用这种调速时的负载能力，并不是指电动机的实际负载。电动机采用恒转矩调速时，如果拖动恒转矩负载运行，并使电动机的负载转矩等于额定转矩，则不论运行在什么转速上，电枢电流I几都不变，电动机被合理利用，负载的恒转矩要求也得到满足.这种恒转矩调速与恒转矩负载的配合关系称为匹配.如果恒转矩调速的电动机拖动恒功率负载，不能做到匹配.因为这时只能按低速运行转速选配合适的电动机，这时的负载转矩等于电动机最大允许输出转矩或最大允许电磁转矩，电动机得到合理利用.但当运行在高速时，由于负载是恒功率性质，高速时转矩小，低于最大允许输出转矩，而恒转矩调速时磁通(通常为额定磁通值)不变， I必然减小。)变频器设计时为维持电机输出最大转矩不变，必须维持每极气隙磁通 m 不变，从(3)式可知，也就 是要使 E1/f1=常数。如忽略定子漏阻抗压降，可以认为供给电机的电压 U1 与频率 f1 按相同比 例变化，即 U1/f1=常数。但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，因此要人为地提高定子电压，以作漏抗压 降的补偿，维持 E1/f1常数，此时变频器输出 U1/f1 关系如图 1 中的曲线 2，而不再是曲线 1。图 1 U/f 关系多数变频器在频率低于电机额定频率时, 输出的电压 U1 和频率 f1 类似图 1 中曲线 2, 并且随着 设置不同, 可改变补偿曲线的形状，使用者要根据实际电机运行情况调整。(2) 在频率高于定子供电的额定电源频率时采用恒功率调速。（恒功率调速就是控制电机使其能输出的最大功率是恒定的，也就是额定电压<就是最大电压>、额定电流。）此时变频器的输出频率 f1 提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。根据公 式(3)，E1 不能变，f1 提高必然使 m 下降，由于 m 与转矩成正比，因此也就使转矩下 降，转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们两的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功 率。因此这时候电机处在恒功率(描述错误。是不是在恒功率输出得看是不是恒功率负载。)输出的状态下运行。异步电机变频调速恒转矩和恒功率区域状态的特性如图 2 所示。图 2异步电机调速时的输出特性由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速(VVVF)。 而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下，低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降，其采用的方式多种多样。有矢量控制技术，直接转矩控制技术以及拟超导技术(森兰变频特有专利技术)等等。其作用不外乎动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率， 也就是利用电路和电脑技术，实时地而不是固定地改变图 2 中曲线 1 的形状达到低速时力矩提升， 并且稳定运行，又不至于电流太大而造成故障。图 3 通用变频器基本电路通用变频器的基本电路如图 3 所示，它由 4 个主要部分组成，分别是:1整流部分，把交流电压变为直流电压;2滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电;3逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制 电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的 PWM 波，或者正弦脉宽调制 SPWM 波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形;4控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号，这些信号是受外部指令决定的，有频 率、频率上升下降速率、外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。 特别要指出的，通用变频器对负载的输出波形都是双极性 SPWM 波，这种波形可以大幅度提 高变频器的效率，但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波, 产生了变频器很多特殊之处，需要使用者予以重视。双极性 SPWM 波如图 4 所示, 其中图 4(a)是三角形的载波与正弦形 信号进行比较的情形，图 4(b)是比较后获的 SPWM 波形。图 4 双极性 SPWM 调制器3 变频器的选用原则3.1 变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流 由于变频的过载能力没有电机过载能力强，一旦电机有过载，损坏的首先是变频器(如果变频器的保护功能不完善的话);又如果设备上已选用的电机功率大于实际机械负载功率，但是有可能 用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率，此时，变频器一定要可以胜任，也就是说变频器 的功率选用一定要等于或大于电机功率。个别电机额定电流值较特殊，不在常用标准规格附近，又有的电机额定电压低，额定电流偏 大，此时要求变频器的额定电流必须等于或大于电机额定电流。3.2 必须认清变频器调速与机械变速存在本质上的区别 绝对不能不假思索地将某电机使用机械变速改为相同功率的变频器变速。因为功率是转矩与转速 的乘积:机械变速时(例如齿转变速、皮带变速)、若变比为 K，在电机功率不变时，忽略变速器效率，即转速下降 K 倍，会造成转矩可升高 K 倍，它属于恒功率负载，这就如图 5 的曲线 1 所示。图 5 不同负载的机械特性而变频器的转矩转速曲线如图 2 曲线 3 所示，低于额定频率时，恒转矩运行，电机不能提高输 出转矩。高于额定频率时，转速升高转矩下降。图 5 表示常见的不同负载机械特性。图 5 中 3 为平方律负载(例如风机、水泵)、2 为恒转矩负 载(例如传送带)，这二种负载在电机低与额定频率运行时，负载力矩没有增加，所以当在额定频率以下时，可以按电机功率大小配置变频器功率。图 5 中 1 是恒功率负载(例如切削机床,卷绕头卡盘轴)，低速时力矩增加;而变频器和电机低于额定频率时电流被限制，力矩不能增加，所以变频器调低电机转速有可能会造成电机带不动负载，选用时要根 据减速造成力矩增加的比例，选用比原电机功率大的电机和变频器。例如原来 1.5KW 电机，负 载转矩 1kgm,转速 1460r/min，机械变速后转速降到 720r/min，转矩就可达 2kgm，但原来的电机 和变频器不可能输出 2kgm 的转矩。因此，要改变电机和变频器都是 1.5×2=3kW，选用标准功率3.7 或 4kW 的电机和变频器才行。3.3 变频器的选用型号应根据使用要求而作细仔考虑(1) 基本考虑内容是使用环境条件、电网电压、负载大小及性质。(2) 环境温度长期较高，安装在通风冷却不良的机柜内时，会造成变频器寿命缩短。电子器件、 特别是电解电容等器件、在高于额定温度后，每升高 10寿命会下降一半，因此环境温度应保 持较低，除设置完善的通风冷却系统以保证变频器正常运行外，在选用上增大一个容量等级，以 使额定运行时，温升有所下降是完全必要的。(3) 电网电压处于不正常时，将有害于变频器。电压过高，如对 380V 的线电压如上升到 450V 就会造成损坏，因此电网电压超过使用手册规定范围的场合，要使用变压器调整，以确保变频器 的安全。(4) 高海拔地区因空气密度降低，散热器不能达到额定散热器效果，一般在 1000m 以上，每增加100m 容量下降 10%，必要时可加大容量等级，以免变频器过热。(5) 使用于不同用途时，选择变频器的系列型号应作分析，对于一般用途变频器采用 V/F=常数 控制方式已可满足，对于负载变化范围大，而且又要求较高运转精度的场合，特别是低速时要求 有稳定的速度和负载能力时，则要选用矢量控制等方式的变频器，对数控机床等精密传动还要采 用闭环控制和有速度传感器的方式，相应的变频器也要有这些配合的接口，选用时需要综合考虑。 (6) 变频器使用不同场所对变频器的防护等级要作选择，为防止鼠害、异物等进入应作防护选择， 常见 IP10、IP20、IP30、IP40 等级分别能防止 50、12、2.5、1 固体物进入。(7) 当变频器为降低电动机噪声而将调制频率重新设置得较高并超过出厂设置频率时, 会造成变 频器损耗增大。设置频率越高，损耗越大，因此要适当减载，图 6 表示不同调制频率和负载率时的相应减载曲线， 不同公司、不同系列会有差别，但趋势是相似的。不少使用者由于不懂这一点，一味增加调制频 率，造成变频器过热而损坏，或者变频器输不出额定功率。图 6 不同调制频率与负载率降低的关系(8) 矢量控制方式只能对应一台变频器驱动一台电机，而且变频器的额定电流应等于或大于电机 额定电流，电机的实际使用电流不能比额定电流太小(不低于变频器额定电流的 1/8)。为了正确 地使用矢量控制，在驱动前，变频器对电机冷态参数还需进行输入或自动识别。(9) 一台变频器驱动多台电机时，变频器容量应比多台电机容量之和大，并且只能选择 V/F 控制 模式，不能用矢量控制模式。(10) 当多台变频器的逆变单元共用一个整流/回馈单元时，即采用公共直流母线方式，有利于多 台逆变器制动能量的储存和利用，此时整流/回馈单元的容量要足够大，并要有防止小功率变频 器整流桥过载损坏的措施。使用中对多台电机不能同时制动。(11) 对风机水泵类负载(即平方律负载)，如原来使用阀门、风门调节流量，当改用变频器调速控 制流量时，就会带来大幅度节能。而摩擦类负载(恒转矩负载)，使用变频调速的节能效果基本上 不能体现，对用机械变速扩大转矩的场合，使用变频器还可能带不动负载，这在选用时必须充分 注意！在这些场合使用变频器，其目的是工作机械需要作速度调整。二 变频器的配套设备及安装技术1 变频器的配套设备1.1 附加配套设备的作用 附加配套设备的布置见图 7。图 7