【正文】 們將工頻380V 的交流電整流成直流，平均直流電壓可用式（15）表示：Ud= = 380= 513V （15）式中 Ul—電源的線電壓；變頻器中采用如圖 11 所示的二極管不可控橋式整流電路方案的占絕大多數(shù)。當(dāng)逆變器采用PWM 方案的情況下，這是一種較好的方案。與晶閘管整流器相比，這種方案在全速度范圍內(nèi)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)比較高。由于不必設(shè)置相應(yīng)的控制電路，所以控制簡單，成本也較低。二極管橋式整流電路的工作原理十分簡單，不必深入分析。這里主要就其用于變頻器時的一些技術(shù)問題進(jìn)行必要的說明。理論上講，二極管整流器的原側(cè)功率因數(shù)應(yīng)該接近于1，但實際上，由于中間直流回路采用大電容作為濾波，其值小于1。整流器的輸入電流實際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。雖然其基波功率因數(shù)1 cosj 接近于1，但總功率因數(shù)卻不可能是1。高次諧波電流造成的不良影響簡述如下：(1) 占用電網(wǎng)容量。一般情況下應(yīng)考慮電源設(shè)備的裕量。(2) 引起電網(wǎng)電壓波形畸變。電網(wǎng)容量越大，觀察到的電流波形越陡峻，畸變越嚴(yán)重。與此相反，電網(wǎng)容量相對較小，電壓波形的畸變較嚴(yán)重。同時畸變程度與變頻器的負(fù)載大小有關(guān)。由于電流、電壓波形的畸變，供電線路上的其他設(shè)備必然受到影響，引起過熱、噪聲、振動甚至誤工作。變頻器的應(yīng)用日益增多，對電網(wǎng)的污染問題不容忽視。(3) 對改善功率因數(shù)用的電力電容器產(chǎn)生不良影響。當(dāng)變頻器單機(jī)容量或總和容量較大時，這種影響便會顯現(xiàn)出來。一旦由于高次諧波而引起并聯(lián)諧振，電力電容器則流入異常大的電流，引起過熱或絕緣而損壞。這種情況下，高次諧波電流的幅值將特別大，危及電力電容器的安全。解決的辦法有如下幾種：1）改變電容器回路中電感的可調(diào)部分。2）高次諧波含量較多時，增加電容回路串聯(lián)電抗器的電抗值。3）投入電力電容器的調(diào)整容量。4）電力電容器設(shè)置位置適當(dāng)改變。 逆變器負(fù)載側(cè)的變流器Ⅱ為逆變器。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。圖12 中由1 V 6 V 組成了三相逆變橋，V 導(dǎo)通時相當(dāng)于開關(guān)接通，V 截止相當(dāng)于開關(guān)斷開。三相逆變電路的原理圖見圖 12 所示：圖 12 a）中， S1S6 組成了橋式逆變電路，這6 個開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個相位互相差2л/3的三相交流電壓。當(dāng)SS4閉合時， Uu v為正； S3S4閉合時，Uu v 為負(fù)。用同樣的方法可得： S2 、S6同時閉合和S1S6 同時閉合，得到Uw u 。S5S2同時閉合和SS6同時閉合，得到Uw u 。為了使三相交流電Uu v、Uv w 、Uw u 在相位上依次相差2л/ 3；各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖12 b）中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得Uu v、Uv w 、Uw u 波形如圖12 c）所示。圖 22 三相逆變電路的原理圖 觀察 6 個開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點：(1) 各橋臂上的開關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如SS2；(2) 各相的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差2л/3電角度。如S3比S1滯后2л/ 3，S5比 S3滯后2л/ 3。上述分析說明，通過6 個開關(guān)的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過Ud 的大小來調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在常用的逆變管有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，大功率晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場效層晶體管(MOSFET)等。其中續(xù)流二極管(VD7 – VD12)功能有下面幾點：(1) 由于電動機(jī)是一種感性負(fù)載，工作時其無功電流返回直流電源需要VD7 – VD12提供通路；(2) 降速時電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)， VD7 – VD12為再生電流提供返回直流的通路；(3) 逆變時VD7 – VD12快速高頻率地交替切換，同一橋臂的兩管交替地工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，在切換的過程中，也需要給線路的分布電感提供釋放能量的通路。 中間直流環(huán)節(jié)由于逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī)，屬于感性負(fù)載。無論電動機(jī)處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。變頻器的控制方式：U/f控制方式當(dāng)對異步電動機(jī)調(diào)速時，需要根據(jù)電動機(jī)的特性對供電電壓（電流）和頻率進(jìn)行適當(dāng)控制，采用不同的控制方法所得到的調(diào)速性能、特性和作用是不同的。變頻器所采用的控制方式可按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制主要是U/f 協(xié)調(diào)控制。閉環(huán)控制需要速度等反饋信息，可進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量變換控制等。變頻器的控制方式是按U/f 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的順序發(fā)展起來的，越是后來的控制方式其性能越優(yōu)良。特別是矢量控制技術(shù)，可以實現(xiàn)與直流電動機(jī)拖動系統(tǒng)相當(dāng)?shù)恼{(diào)速性能。當(dāng)然，先進(jìn)的控制方式其控制比較復(fù)雜，需要專門的知識，同時需要調(diào)整的因素多，變頻器的價格也比較高。目前各種控制方式的變頻器已產(chǎn)品化，我們可根據(jù)調(diào)速目的、用途和調(diào)速系統(tǒng)所需的性能指標(biāo)選擇合適的控制方式的變頻器，以構(gòu)成性價比高的交流調(diào)速系統(tǒng)。按照變頻器控制方法的難易程度和算法的不同，變頻器的控制方式可分為：（1）、 U/f 控制方式這種方式經(jīng)常應(yīng)用于簡單的開環(huán)頻率控制應(yīng)用場合，而不能控制任何在矢量技術(shù)中特有的組成部分。U/f 變頻器調(diào)節(jié)電動機(jī)的實際頻率，從而產(chǎn)生期望速度。大多數(shù)的U/f 變頻器不能區(qū)分磁通電流與轉(zhuǎn)矩電流，而只能以滿電動機(jī)電流進(jìn)行處理。這種變頻器依賴于簡單的電流限制策略，通常使用增加電壓提升的方法來產(chǎn)生更大的起動轉(zhuǎn)矩。盡管這種電壓提升能夠提供額外的起動轉(zhuǎn)矩，它卻需要更大的電流，并且經(jīng)常會發(fā)生“電流限制”的情況從而使得性能變差。盡管U/f 技術(shù)看起來類似于矢量控制，但通過實際運(yùn)行中的對比可以看出幾乎在所有的領(lǐng)域中都顯現(xiàn)了“無矢量控制”的性能，包括起動，加速，低速運(yùn)行情況以及轉(zhuǎn)矩控制時。（2）、 無速度傳感器矢量控制方式這種方式提供了一種性能介于 U/f 控制方式與純磁場定向控制方式之間的控制方式。無速度傳感器或者開環(huán)矢量控制可以提供較大的起動，加速以及沖擊負(fù)載轉(zhuǎn)矩，較寬的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍（包括基本速度），并且還可以改善低速性能，但是它并不是轉(zhuǎn)矩控制變頻器，因此，不能調(diào)節(jié)電動機(jī)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩量。它們也無法挑戰(zhàn)磁場定向控制在動態(tài)響應(yīng)，高性能速度調(diào)節(jié)或速度范圍領(lǐng)域內(nèi)的卓越性能。它所能做到的是電動機(jī)每安培所提供的更高轉(zhuǎn)矩。通過建立滿定子磁通并不斷觀測估算“過磁通”狀況，無速度傳感器矢量控制可以提供用戶所需的最大電動機(jī)轉(zhuǎn)矩（接近衰減）。這包括所有苛刻性工作領(lǐng)域:脫扣、加速和減速，沖擊性負(fù)載，低速和“弱磁”或基速以上工作場合。（3）、 磁場定向控制方式這種方式由于既控制電流環(huán)節(jié)組成部分（磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流）并控制它們之間的夾角（矢量和），因此它既可以調(diào)節(jié)速度又可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。這種變頻器提供良好的轉(zhuǎn)矩特性以及更嚴(yán)格的速度調(diào)節(jié)，更寬的速度范圍和更高的響應(yīng)帶寬。專用的自適應(yīng)控制器提供了獨立的轉(zhuǎn)矩與磁通控制，從而允許對電動機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的連續(xù)調(diào)節(jié)。以上各種控制方式的控制性能比較如表 12 中所示：表22 三種控制方式的控制性能比較控制方式/控制性能電壓/頻率無速度傳感器矢量控制磁場定向控制速度控制頻率控制滑差補(bǔ)償頻率控制滑差補(bǔ)償編碼器反饋速度控制編碼器反饋速度調(diào)節(jié)1%滑差補(bǔ)償 %編碼器 %開環(huán) %閉環(huán) %轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)NANA取決于電動機(jī)25%速度范圍40:1120:1開環(huán) 120:1閉環(huán)1000:1起動轉(zhuǎn)矩150%250%取決于變頻器/電動機(jī)150% 最小400% 最大快速加速轉(zhuǎn)矩150%150%取決于變頻器/電動機(jī)150% 最小400% 最大峰值運(yùn)行轉(zhuǎn)矩250%260%取決于變頻器/電動機(jī)150% 最小400% 最大動態(tài)響應(yīng)N/A612 弧度30 弧度開環(huán)100 弧度閉環(huán) 變頻器容量的選擇變頻器的容量選擇要根據(jù)不同的負(fù)載來確定。變頻器說明書中的“配用電動機(jī)容量”只適用于連續(xù)恒定負(fù)載，如鼓風(fēng)機(jī)、泵類。對于變動負(fù)載、斷續(xù)負(fù)載和短時負(fù)載，電動機(jī)允許短時間過載，因此變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇，I≥Im max （16）式中I—變頻器額定電流；Im max—電動機(jī)最大工作電流。變頻器的過載能力的允許時間只有 1 分鐘，這只是對于設(shè)定電動機(jī)的啟動和制動過程才能有意義。而電機(jī)的短時過載是相對于達(dá)到穩(wěn)定溫升所需的時間而言的，通常是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1 分鐘。對于連續(xù)恒負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時所需變頻器容量計算可按下式進(jìn)行P ≥K√3UmIm 10175。179。 （17）I≥kIm （18）式中 k ——電流波形系數(shù)（PWM ~）；P——變頻器額定容量（ kV A g ）；Im、Um——電動機(jī)額定電流、電壓；I——變頻器額定電流。在變頻器驅(qū)動繞線式異步電動機(jī)時，由于繞線式異步電動機(jī)繞組阻抗較鼠籠式異步電動機(jī)小，容易發(fā)生紋波電流而引起過電流跳閘現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇比通常容量稍大的變頻器。 變頻電動機(jī)的選擇在電動機(jī)選擇問題上，我們分兩個方面討論：在新設(shè)計的系統(tǒng)中，什么類型的電動機(jī)是最適當(dāng)?shù)倪x擇；在改造工程中，什么類型的電動機(jī)可以保留使用。（1）、 新設(shè)計系統(tǒng)的電動機(jī)選擇通用變頻器是針對交流異步電動機(jī)設(shè)計的，由于變頻調(diào)速時不再需要考慮改變轉(zhuǎn)子回路電阻，沒有必要采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，而多數(shù)通用變頻器的預(yù)置電動機(jī)模型都是四極電動機(jī)模型。因此，一般而言，四極籠型交流異步電動機(jī)是合適的電動機(jī)選擇。額定頻率 50Hz的四極電動機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速是1500 r /min，需要靠機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的減速比設(shè)置，使電動機(jī)調(diào)速范圍與工藝需要的調(diào)速范圍配合起來。同步轉(zhuǎn)速是變頻調(diào)速時恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行和恒功率運(yùn)行的轉(zhuǎn)折點，向下調(diào)速時，轉(zhuǎn)矩不變，功率與轉(zhuǎn)速正比，如果調(diào)速范圍上限低于同步轉(zhuǎn)速，電動機(jī)的功率能力將不能充分發(fā)揮，也就是電動機(jī)需要選樣的比實際需要的功率大；向上調(diào)速時，功率不變，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大而衰減，如果調(diào)速范圍上限高于同步轉(zhuǎn)速，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力將不能充分發(fā)揮，而且在超同步運(yùn)行段，一些變頻器在矢量控制下的運(yùn)行性能不能達(dá)到最佳效果。因此，通過減速比選擇，盡量上工藝的調(diào)速上限對準(zhǔn)電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速，是最能夠充分發(fā)揮電動機(jī)能力的方式。利于四極電動機(jī)，開環(huán)U/f 控制的調(diào)速范圍大約為150～1470 r /min，無速度傳感器矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速范圍大約為60～1500 r /min，有速度傳感器矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速范圍大約為5～1500 r /min，在5 r /min以下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差，但也能夠運(yùn)行。這些數(shù)據(jù)可以作為減速比選擇的參考依據(jù)。當(dāng)選擇四極電動機(jī)配備減速比有困難時，二極、六極和八極電動機(jī)也可以選擇。普通籠型電動機(jī)是空氣自冷式的，外殼冷卻依靠端部的風(fēng)扇葉片，內(nèi)部空氣流通依靠轉(zhuǎn)子兩端的攪拌葉片，葉片都固定在轉(zhuǎn)子軸上跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，端部風(fēng)扇葉片逐步失去散熱能力，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低時，內(nèi)部攪拌葉片也失去使空氣流通的能力。因此，對于二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于隨著轉(zhuǎn)速降低轉(zhuǎn)矩也降低，發(fā)熱程度降低，因此，使用普通籠型電動機(jī)是最佳選擇，但建議不要在40％同步轉(zhuǎn)速以下長期運(yùn)行；對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如果滿負(fù)載長期運(yùn)行(以連續(xù)運(yùn)行時間超過10 min ，或斷續(xù)運(yùn)行時暫載率超過40％為準(zhǔn))的轉(zhuǎn)速在60％同步轉(zhuǎn)速以上，使用普通籠型電動機(jī)是合適選擇；滿負(fù)載長期運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速在25％～60％同步轉(zhuǎn)速之間，使用帶有外部強(qiáng)制風(fēng)冷的籠型電動機(jī)是合適選擇，這種電動機(jī)也被稱為變頻專用電動機(jī)；如果滿負(fù)載長期運(yùn)行的轉(zhuǎn)速達(dá)到25％同步轉(zhuǎn)速以下，則應(yīng)該使用完全的強(qiáng)制冷卻籠型電動機(jī)，有的廠家稱這種電動機(jī)為矢量控制變頻專用電動機(jī)。當(dāng)電動機(jī)用于超過同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，除電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力弱磁原因要降低外，由于轉(zhuǎn)速增加，會增加軸承磨損，離心力增加，需要更高的轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度。因此，在超同步轉(zhuǎn)速120％以上運(yùn)行時，應(yīng)選擇增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度、高速軸承的變頻專用電動機(jī)，并且運(yùn)行轉(zhuǎn)速不要超過其說明書提供的轉(zhuǎn)速上限。再生制動時直流母線電壓會升高，這對電動機(jī)絕緣能力有一定要求，不要選擇絕緣等級太低的電動機(jī)。電壓型脈寬調(diào)制變頻器的dv di 比較高，對于電動機(jī)絕緣可能產(chǎn)生疲勞性損傷，因此，用于變頻調(diào)速的電動機(jī)壽命可能受到影響，運(yùn)行維護(hù)時要注意絕緣檢查。有的時候，采用同步電動機(jī)變頓調(diào)速可以取得良好的轉(zhuǎn)速精度，可以考慮選擇交流同步電動機(jī)。（2）、 改造工程的電動機(jī)保留使用考慮對于改造工程的變頻調(diào)速系統(tǒng)，如果能夠保留原有電動機(jī)繼續(xù)使用，不僅可以節(jié)省電動機(jī)投資，還避免了機(jī)座號改變件帶來的基礎(chǔ)重新施工等麻煩。那么什么類型的電動機(jī)可以保留使用呢？普通籠型異步電動機(jī)在二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用，以及恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下滿負(fù)載長期運(yùn)行轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速的60％以上，并且會出現(xiàn)120％以上超同步運(yùn)行的情況，可以考慮保留使用。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，將轉(zhuǎn)子短接后運(yùn)行特征接近籠型異步電動機(jī)，在上述同樣的限制條件下可以保留使用。短接轉(zhuǎn)子的方式有兩種：在轉(zhuǎn)子內(nèi)部直接短接三相繞組，優(yōu)點是繞過了集電環(huán)結(jié)構(gòu)，維護(hù)變得簡單，但短接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要適應(yīng)離心力情況，并且空間幾何布置要對稱，以避免影響轉(zhuǎn)子的動態(tài)平衡；在接線盒位置短接，優(yōu)點是施工簡單，缺點是原有集電環(huán)結(jié)構(gòu)仍然起作用，需要定期維護(hù)滑環(huán)。綜合比較，推薦采用接線盒短接