【正文】 各單元稱為從動單元。在這種情況下，總是要求被加工物在各單元的線速度一致:顯然，如果后面的速度低于前面，將導致被加工物的堆積。反之，如果后面的速度高于前面，將導致被加工物的撕裂。因此，對于多單元拖動系統的要求是:在調速時, 各單元必須同時調節(jié)。各單元的運行線速度必須步調一致, 即實現同步運行。(b) 同步信號的取出通常，各單元都有線速度的檢測裝置，如圖14中的SV1和SV2所示。把SV1和SV2取出的線速度信號在數據處理器中進行比較后變換成同步信號，接至各從動單元的輔助給定輸入端，通過功能預置，使VR1端的主給定信號與VR2端的輔助給定信號相減。(c) 電路特點，如圖14所示。統調信號將各變頻器的主給定端VR1COM都并聯起來, 與統調給定信號相接, 使各變頻器的主給定信號同時改變, 實現了統調。各單元的微調 當從動單元與主令單元的不一致時，數據處理器將輸出一個微調信號給從動單元，使從動單元的線速度和主令單元相等。1單元是主令單元，不需要進行微調。 頻率給定的其他功能(1) 頻率指令的保持功能 變頻器在停機后, 是否保持停機前的運行頻率的選擇功能。再開機時, 變頻器的運行頻率有兩種狀態(tài)可供選擇:保持功能無效 運行頻率為0Hz，如要回復到原來的工作頻率，須重新加速。保持功能有效 運行頻率自動上升到停機前的工作頻率。(2) 點動頻率功能 點動是各類機械在調試過程中經常使用的操作方式。因為主要用于調試，故所需頻率較低，一般也不需要調節(jié)。所以，點動頻率(用fJ表示)是通過功能預置來確定的。有的變頻器也可以預置多檔點動頻率。(3) 頻率給定異常時的處理功能 給定信號異常大致有以下兩種情形:(a) 給定信號丟失 　　 當外接模擬頻率給定信號因電路接觸不良或斷線而丟失時，變頻器處理方式的選擇功能。例如，是否停機，如繼續(xù)運行，則在多大頻率下運行等。(b) 給定信號小于最低頻率時的處理功能 有的負載在頻率很低時實際上不能運行，因而需要預置最低頻率。對應地，也就有一個最小給定信號。當實際給定信號小于最小給定信號時，應視為異常狀態(tài)。5 頻率的限制功能 上、下限頻率(1) 基礎概念(a) 生產機械對轉速范圍的要求 生產機械根據工藝過程的實際需要，常常要求對轉速范圍進行限制。以某攪拌機為例，如圖15(a)所示。要求的最高轉速是600r/min，最低轉速是150r/min。 圖15 上限頻率和下限頻率 (b) 變頻器的上、下限頻率 根據生產機械所要求的最高與最低轉速，以及電動機與生產機械之間的傳動比，可以推算出相對應的頻率，分別稱為上限頻率(用fH表示)與下限頻率(用fL表示)。在上例中，如傳動比λ＝2，則: (2) 上限頻率與最高頻率的關系上限頻率小于最高頻率 上限頻率比最高頻率優(yōu)先 這是因為，上限頻率是根據生產機械的要求來決定的，所以具有優(yōu)先權。 回避頻率(1) 基礎概念 任何機械在運轉過程中，都或多或少會產生振動。每臺機器又都有一個固有振蕩頻率，它取決于機械的結構。如果生產機械運行在某一轉速下時，所引起的振動頻率和機械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機械的振動將因發(fā)生諧振而變得十分強烈(也稱為機械共振)，并可能導致機械損壞的嚴重后果。 圖16 回避頻率 設置回避頻率fJ的目的，就是使拖動系統回避掉可能引起諧振的轉速，如圖16所示。(2) 回避頻率的預置 預置回避頻率時，必須預置以下兩個數據:中心回避頻率fJ 即回避頻率所在的位置?；乇軐挾圈J 即回避區(qū)域，如圖16(a)所示。(3) 回避頻率的數量 大多數變頻器都可以預置三個回避頻率, 如圖16(b)所示。6 載波頻率的選擇功能 基礎概念 變頻器輸出電壓的波形，都是經過脈寬調制后的系列脈沖波。脈寬調制的基本方法是:各脈沖的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交點決定的，如圖17所示。在這里，正弦波稱為調制波，三角波稱為載波。三角波的頻率就稱為載波頻率，用fC表示。 圖17 變頻器輸出電壓波的形成 圖17中，uU、ｕV、ｕW是各相的相電壓波形, uUV則是U相和V相間線電壓的波形。顯然, 電壓脈沖序列的頻率必等于載波頻率。 在PWM電壓脈沖序列的作用下, 電流波形是脈動的, 脈動頻率與載波頻率一致。脈動電流將使電動機鐵心的硅鋼片之間產生電磁力并引起振動，產生電磁噪聲。改變載波頻率時, 電磁噪聲的音調也將發(fā)生改變。所以, 有的變頻器對于調節(jié)載波頻率的功能, 稱為音調調節(jié)功能。 載波頻率大小的影響(1) 載波頻率對變頻器輸出電流的影響(a) 載波頻率與電流波形 　運行頻率越低, 則電壓波的平均占空比越小, 電流高次諧波成分越大, 故適當提高載波頻率, 可以改善電流波形。(b) 載波頻率與死區(qū) 　 逆變橋中, 同一橋臂的上、下兩個逆變管是在不停地交替導通的，為了保證在交替導通時, 只有當一個逆變管完全截止的情況下, 另一個逆變管才開始導通。在交替過程中，必須有一個死區(qū)(等待時間)。載波頻率和死區(qū)的關系有如下的幾個方面:變頻器的輸出電流越大，每次交替所要求的死區(qū)也越大。載波頻率越高，則死區(qū)的累計值越大，變頻器的平均輸出電流越小。 圖18 載波頻率對輸出電流的影響 因此，載波頻率越高，變頻器的允許輸出電流越小，如圖18所示(圖中曲線系根據西門子440系列變頻器提供的資料作出)。(c) 載波頻率引起的漏電流 載波頻率越高，因線路相互之間，以及線路與地之間分布電容的容抗越小，由高頻脈沖電壓引起的漏電流越大，如圖19(a)所示。 圖19 載波頻率的影響 (2) 載波頻率對其他設備的影響(a) 高頻電壓的影響對電動機運行的影響 當電動機與變頻器之間的距離較遠時，則載波頻率越高，由線路分布電容引起的不良效應(如電動機側電壓升高、電動機振動等)越大。對其他設備的干擾 　 載波頻率越高，則高頻電壓通過靜電感應對其他設備的干擾也越嚴重。(b) 高頻電流的影響如圖19(b)所示。電磁感應對其他設備的干擾 高頻電流產生的高頻磁場將通過電磁感應對其他設備的控制線路產生干擾。電磁輻射對其他設備的干擾 高頻電磁場具有強大的輻射能量，使其他設備，尤其通訊設備受到干擾。 (3) 載波頻率與輸出功率的關系載波頻率越高，諧波電流的頻率也越高，則電動機定子繞組的趨表效應越嚴重，有效電阻值及其損失增大，電動機的輸出功率越小。載波頻率越高，死區(qū)的累計時間越大，變頻器實際工作的時間越短，輸出功率越小。(4) 載波頻率與環(huán)境溫度當環(huán)境溫度升高時，逆變橋中，上、下兩個逆變管在交替導通過程中的死區(qū)將變窄，嚴重時可導致橋臂直通(短路)而損壞變頻器。參考文獻(略)作者簡介張燕賓(1937) 男 高級工程師 退休前在宜昌市自動化研究所工作，曾任自動化研究所副所長、宜昌市科委駐深圳聯絡處主任。宜昌市自動化學會理事長、湖北省自動化學會常務理事。著作:SPWM變頻調速應用技術(編著，機械工業(yè)出版社1997年12月初版。2002年４月第二版)。變頻調速應用實踐(主編，機械工業(yè)出版社2001年1月出版)。變頻器應用基礎(副主編，機械工業(yè)出版社2003年1月出版)。講座二—電動機特性的控制功能 ControlFunctionforImprovingtheMechanicalCharacteristicsofMotor摘　　要: 本文綜述了變頻器為了改善電動機的機械特性而設置的各種控制模式及其相關功能。關 鍵 詞: 控制模式V/F控制轉矩補償矢量控制自動檢測旋轉編碼器轉矩控制Abstract:Thispaperintroducedallcontrolmodeforimprovingthemechanicalcharacteristicsofmotor.Andit39。sinterrelatedfunction.Keywords:ControlmodeV/FcontrolTorqueboostVectorcontrolAutotuningEncoderTorquecontrol1 變頻引出的特殊問題 異步電動機在頻率下降后出現的問題異步電動機的輸入輸出如圖1所示。圖1 異步電動機的輸入和輸出 (1) 問題的提出(a) 電動機的輸入功率眾所周知，電動機是將電能轉換成機械能的器件。三相交流異步電動機輸入的是三相電功率P1:(b) 電動機的輸出功率電動機是用來拖動負載旋轉的，因此，其輸出功率便是軸上的機械功率:式(2)中:P2─電動機輸出的機械功率，kW。TM─電動機軸上的轉矩，Nm。ｎM─電動機軸上的轉速，r/min。(c) 頻率下降后出現的問題毫無疑問，頻率下降的結果是轉速下降。這是因為，異步電動機的轉速和頻率有關: 式(4)中: ｎ0—同步轉速(即旋轉磁場的轉速), r/min。由式(2)知, 轉速下降的結果是:電動機的輸出功率下降。然而, 式(1)表明, 電動機的輸入功率和頻率之間卻并無直接關系。如果仔細分析的話，當頻率下降時，輸入功率將是有增無減的(因為反電動勢將減小)。輸入不變而輸出減少，這似乎有悖于能量守恒的原理，出現了什么問題呢？ (2) 異步電動機的能量傳遞異步電動機的轉子是依靠電磁感應(轉子繞組切割旋轉磁場)而得到能量的，如圖2(a)所示。所以，其能量是通過磁場來傳遞的。傳遞過程如圖2(b)所示, 可歸納如下:圖2 異步電動機的能量傳遞 (a) 從輸入的電功率P1中扣除定子側損失(定子繞組的銅損pCu1和定子鐵心的鐵損pFe1)后，便是通過磁場傳遞給轉子的功率，稱為電磁功率，用PM表示: (b) 轉子得到的電磁功率PM中扣除轉子側損失(轉子繞組的銅損PCu2和轉子鐵心的鐵損PFe2)，便是轉子輸出的機械功率P2: 顯然，頻率下降的結果必將導致電磁功率PM的“中部崛起”，這意味著磁通的大量增加。那么，PM是如何增大的呢？ (3) 定子側的等效電路(a) 定子磁通及其在電路中的作用如圖3(a)所示，定子磁通可以分為兩個部分:圖3 定子側的等效電路主磁通Φ1　主磁通Φ1是穿過空氣隙與轉子繞組相鏈的部分，是把能量傳遞給轉子的部分。它在定子繞組中產生的自感電動勢稱為反電動勢，用E1表示，其有效值的計算如下式: 式(7)表明，反電動勢E1與頻率fX和主磁通ΦM的乘積成正比:在頻率一定的情況下，反電動勢的數值直接反映了主磁通的大小。或者說，主磁通ΦM的大小是通過反電動勢E1的大小來體現的。漏磁通Φ0漏磁通Φ0是未穿過空氣隙與轉子繞組相鏈的部分，它并不傳遞能量，它在定子繞組中產生的自感電動勢只起電抗的作用，稱為漏磁電抗X1，其壓降為I1X1。(b) 定子側的等效電路圖3(b)所示即為定子繞組的一相等效電路，其電動勢平衡方程如下: (c) 電磁功率的計算如上述，把能量從定子傳遞給轉子的是主磁通ΦM，而主磁通ΦM在電路中通過反電動勢E1來體現，所以，電磁功率可計算如下: (d) 頻率下降的后果由式(8)知, 當頻率fX下降時，反電動勢E1也將下降，由式(10)知，這將引起電流I1的增大，并導致磁通ΦM和電磁功率PM的增大。 保持磁通不變的必要性和途徑(1) 保持磁通不變的必要性(a) 磁通減小　任何電動機的電磁轉矩都是電流和磁通相互作用的結果，電流是不允許超過額定值的，否則將引起電動機的發(fā)熱。因此，如果磁通減小，電磁轉矩也必減小，導致帶載能力降低。(b) 磁通增大　電動機的磁路將飽和，由于在變頻調速時，運行頻率fX是在相當大的范圍內變化的，因此，如不采取措施的話，磁通的變化范圍也是非常大的。它極容易使電動機的磁路嚴重飽和，導致勵磁電流的波形嚴重畸變，產生峰值很高的尖峰電流，如圖4所示。圖4的上半部是電動機的磁化曲線。下半部則是勵磁電流的波形。圖4 磁化曲線與勵磁電流所以，變頻調速的一個特殊問題便是:當頻率fX變化時，必須使磁通Φ保持不變: Φ＝const (2) 保持磁通不變的方法由式(8)知，保持Φ＝const的準確方法是: 即，在調節(jié)頻率時，必須保持反電動勢E1X和頻率fX的比值不變。但反電動勢是由定子繞組切割旋轉磁通而感生的，無法從外部進行控制。于是用保持定子側輸入電壓和頻率之比等于常數來代替:式(13)中: U1X—運行頻率為fX時的輸入電壓，V。所以, 在改變頻率時, 必須同時改變定子側的輸入電壓。設頻率的調節(jié)比為: 變壓變頻存在的問題及原因分析(1) 存在的問題(a) 衡量調速性能的主要因素電動機的基本功能是拖動生產機械旋轉，因此，在低頻時的帶負載能力便是衡量變頻調速性能好壞的一個十分重要的因素。(b) 調壓調頻存在的問題滿足式(16)的情況下進行變頻調速時，隨著頻率的下降，電動機的臨界轉矩和帶負載能力(用有效轉矩ＴMEX表示)也有所下降，如圖5所