【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 電壓型與電流型交 交變頻器 電壓型交一交變頻器如圖 （ a） 所示，圖中并沒(méi)有接入濾波電容器但供電整流器 逆變器 整流器 逆變器 正組變流器 負(fù)組變流器 負(fù)載 正組變流器 負(fù)組變流器 負(fù)載 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 12 電網(wǎng)相對(duì)于負(fù)載具有低阻抗，也具有電壓源性質(zhì)。電流型交一交變頻器如圖 （ b） 所示。兩組變流器都經(jīng)過(guò)很大的波電感與電網(wǎng)相連，強(qiáng)制輸出電流為矩形波，從而具有電流源性質(zhì)。電壓型與電流型交一直一交變頻器主要特點(diǎn)比較見(jiàn)表2所示： 類型 比較項(xiàng)目 電壓型交 交變頻器 電流型交 交變頻器 直流回路濾波環(huán)節(jié) 電容器 電抗器 輸出電壓波形 矩形波 決定于負(fù)載，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載近似為正弦波 輸出電流波形 決定于負(fù)載功率因數(shù)有較大的諧波分量 矩形波 輸出阻抗 大 小 回饋制動(dòng) 須在電源側(cè)反井聯(lián)逆變器 主電路不需附加設(shè)備 調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng) 較慢 快 對(duì)晶閘管的要求 關(guān)斷時(shí)間要短，對(duì)耐礦井要求一般較低 耐壓高，對(duì)關(guān)斷時(shí)間無(wú)特殊要求 適用范圍 電機(jī)拖動(dòng)，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源 單電機(jī)拖動(dòng)，可逆拖動(dòng) 表 2 電壓型與電流型交一直一交變頻器主要特點(diǎn)比較 變 頻器的特性 1．輸入側(cè)的額定值 主要是電壓和相數(shù)。在我國(guó)，中小容量變頻器中，輸入電壓的額定值有以下幾種 (均為線電壓 )： (1)380V， 3相 這是絕大多數(shù)。 (2)220V， 3相 主要用于某些進(jìn)口設(shè)備中。 (3)220V，單相 主要用于家用小容量變頻器中。 此外，對(duì)輸入側(cè)電源電壓的頻率也都作了規(guī)定，通常都是工頻 50Hz 或60Hz。 2．輸出側(cè)的額定值 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 13 (1)輸出電壓 nU 變頻 器在變頻的同時(shí)也要變壓，所以輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。在大多數(shù)情況下，它就是輸出頻率等于電動(dòng)機(jī)額定頻率時(shí)的輸出電壓值。通常，輸出電壓的額定值總是和輸入電壓相等的。 (2)輸出電流 NI 是指允許長(zhǎng)時(shí)間輸出的最大電流，是用戶在選擇變頻器時(shí)的主要依據(jù)。 (3)輸出容量 nS nS 取決于 nU 和 nI 的乘積。 3S U In n n? 3. 頻率指標(biāo) (1)頻率范圍 即變頻器輸出的最高頻率和最低頻率。各種變頻器規(guī)定的頻率范圍不盡相同。通常最低工作頻率約為 ~1hz；最高頻率約為 200~500hz (2)頻率精度 指變頻器輸出頻率的準(zhǔn)確程度。由變頻器的實(shí)際輸出頻率與給定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。 (3)頻率分辨率 指輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩檔頻率之間的最小差值。例如： 當(dāng)工作頻率為 f=25hz 時(shí)，如頻率器的分辨率為 ，則上一擋 的最小頻率為 39。 ( 2 5 0 .0 1 ) 2 5 .0 1f H z H z? ? ? 對(duì)于變頻器的給定頻率和輸出頻率的概念有必要做如下的區(qū)分： 給定頻率 —— 與給定信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率。給定信號(hào)不變：；給定頻率也不變。 輸出頻率 —— 變頻器實(shí)際輸出的頻率。在轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制和矢量控制時(shí)，為了使拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速保持恒定，變頻器的輸出頻率是隨著負(fù)載的變化而經(jīng)常被調(diào)整的，因而是經(jīng)常變動(dòng)的、不固定的。 頻率的給定 方法 1．面板給定 利用面板上鍵盤的數(shù)字增加鍵 (^鍵 )和數(shù)字減小鍵 (V 鍵 )來(lái)進(jìn)行頻率的數(shù)字量給定和調(diào)整。早期的變頻器是用面板上的電位器來(lái)進(jìn)行模擬量給定和調(diào)整的，故無(wú)鍵盤。 2．預(yù)置給定 通過(guò)程序預(yù)置的方法預(yù)置給定頻率。起動(dòng)時(shí)，按運(yùn)行鍵 (RUN或 FWD 或 REV鍵 )，變頻器即自行升速至預(yù)置的給定額率為止。 3．外接給定 從控制接線端上，引入外部的電壓或電流信號(hào)，進(jìn)行頻率給定。這種方法常用于遠(yuǎn)程控制的情況下。 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 14 變頻器的外接給定配置 所有的變頻器都為用戶提供了可以進(jìn)行外接給定的 控制信號(hào)輸入端。以 FRE500 系列變頻器為例，其接線情況如圖 。 今說(shuō)明如下： 1．外接電壓給定信號(hào)端 (VRFGND) 當(dāng)外接給定信號(hào)是電壓信號(hào)時(shí)，將外接信號(hào)線接到此接線端上。不同的頻率器對(duì)外接電給定信號(hào)的規(guī)定也不相同。主要有以下幾種： 0~10v： 0~5v 等幾種。外接電壓給定信號(hào)又有兩種給定方式： A 直接輸入電壓信號(hào)，通常用于和計(jì)算機(jī)或其他控制裝置配用的情況。 B 利用變頻器的內(nèi)部控制電壓，由外接電位器取出電壓給定信 號(hào)。 2．外接電流給定信號(hào)端 (IRFGND) 當(dāng)外接給定信號(hào)為電流信號(hào)時(shí)，將外接信號(hào)線接到此接線端。電流給定信號(hào)由于不受線路電壓降，接觸電阻極其壓降，雜散的熱電效應(yīng)以及感應(yīng)噪聲等的影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。所以在控制距離較遠(yuǎn)時(shí)，采用電流給定方式為好。 電流給定信號(hào)的取值范圍通常時(shí) 420mA，這是為了區(qū)分零信號(hào)和無(wú)信號(hào)。 零信號(hào)：信號(hào)的大小為“零” —— 信號(hào)的最小值。 無(wú)信號(hào)：因系統(tǒng)處于未工作狀態(tài)或故障狀態(tài)而沒(méi)有信號(hào)（電流為 0） 外接電位器的選擇 各種變頻器的說(shuō)明書上對(duì)外接電位器 的阻值和瓦數(shù)都有規(guī)定。但用戶一時(shí) 圖 變頻器的給定信號(hào)端 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 15 買不到與說(shuō)明書要求相符的電位器的情況時(shí)有發(fā)生，于是就提出了現(xiàn)有電位器能否代用的問(wèn)題。 對(duì)于代用電位器，大體上應(yīng)遵循以下幾條原則： (1)阻值只可增大而不宜減小。因?yàn)樽柚敌×?，將增加變頻器內(nèi)部控制電源的電流。在不了解變頻器內(nèi)部電路的情況下，應(yīng)盡量避免這種情況。 (2)阻值太大，電位器取用的電流太小，在控制距離較遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)使抗干擾能力變差。此外，也有一個(gè)和變頻器內(nèi)部電路的匹配問(wèn)題，故電位器的阻值一般以不大于 10k?為宜。 (3)由于外接電位器在工作過(guò)程中調(diào)節(jié)比較頻繁，必須考慮其 內(nèi)部觸點(diǎn)的耐磨性，故電位器的瓦數(shù)宜大不宜小。一般應(yīng)按實(shí)際消耗功率的 10 倍以上來(lái)選擇。例如，電源電壓為 10V、電位器阻值為 2k，則電位器消耗的功率為2 1 20P U R w??，應(yīng)選電位器的功率為 1/2 以上的。 此外，如果現(xiàn)有電位器的阻值小于說(shuō)明書的規(guī)定值時(shí)，則可使電位器串聯(lián)一個(gè)附加電阻 aR ，使 ( a RPRR? )大于規(guī)定值即可。具體 接法如圖 。 但在這種情況下，必須對(duì)頻率增益進(jìn)行正確設(shè)定，使電 位器旋至最大位置時(shí)，能夠得到所需要的最高頻率。 外接控制的電路結(jié)構(gòu) 1. 變頻器的外接輸入電路 如圖所示，外部的控制信號(hào)通常是由開(kāi)關(guān)來(lái)傳遞的。控制開(kāi)關(guān)的通，短信息，通過(guò)變頻器的輸入電路的光耦合器而傳遞到內(nèi)部的控制電路中。 2. 外接輸入開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu) 外接輸入開(kāi)關(guān)可以是有觸點(diǎn)的，如 繼電器、按鈕、行程開(kāi)關(guān)等；也可以是無(wú)觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電路 ,如 :接近開(kāi)關(guān)、可編程序控制器 (PLC}圖 電位器和附加電阻串聯(lián) 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 16 等的輸出電路。無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路總是有自己的電源的，于是又有兩種情形： (1) 無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路的輸出級(jí)為光耦合器，其電源和變頻器內(nèi)部控制電路的電源間互相隔離，如圖 所示。 2)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路的輸出級(jí)為晶體管，從而其輸出電路和變頻器的輸入電路間不可能完全隔離。 如圖 所示。 變頻器的諧波干擾及其對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響 變頻器的輸入和輸出電流中，都含有很多諧波成分。除上述的能構(gòu)成電源無(wú)功損耗的較低次諧波外，也還有許多頻率很 高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對(duì)其他設(shè)備的干擾信號(hào)。干擾信號(hào)的傳播方式主要有以下幾種： (1)空中輻射方式 即以電磁波的方式向外輻射。 (2)電磁感應(yīng)方式 即通過(guò)線間電感而感應(yīng)。 (3)靜電感應(yīng)方式 即通過(guò)線間電容而感應(yīng)。 當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的容量足夠大時(shí)，所產(chǎn)生的高頻，信號(hào)將足以對(duì)周圍各種電子設(shè)備的工作形成干擾，其主要后果有： (1)影響無(wú)線電設(shè)備的正常接收。 (2)影響周圍機(jī)器設(shè)備的正常工作，使它們因接收錯(cuò)誤信號(hào)而產(chǎn)生誤動(dòng)作，或因影響傳感器電路的檢測(cè)而引起錯(cuò)誤判斷。 圖 輸入控制信號(hào)電路 圖 的隔離 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 17 第 3 章變頻器電源諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響 隨著近代交流調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采用電力半導(dǎo)體變頻器供電的交流電 機(jī)越來(lái)越多。由于變頻器的輸出電壓和電流中包含一系列的高次諧波，將給電 機(jī)的性能帶來(lái)許多不利的影響。 電源諧波分量的確定 電源諧波分量與變頻器的類型，電機(jī)繞組的接線方式以及電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等因素有關(guān)。下面以目前廣泛采用的幾種典型的變頻器供電方式為例，分析供電電源中可能存在的電壓和電流諧波分量。 1. 電壓源 PWM 逆變器電壓源 PWM 逆變器的脈寬調(diào)制方法種類很多，通常采用的是等腰三角形調(diào)制方法。為了使逆變器的輸出電壓接近正弦波，一般采用一個(gè)基準(zhǔn)正弦波電壓與等腰三角形調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得一系列脈寬不等的電壓脈沖，如圖 所示。三角波與基準(zhǔn)正弦波的頻率之比 N 稱為載波比，而基準(zhǔn)正弦波的幅值 A5 與等腰三角波幅值 At 之比稱為調(diào)幅比， * /A A As s t? 。圖 所示為載波比 N=調(diào)幅比 *As = 時(shí)的脈寬調(diào)制波形。圖 （ b）中逆變器輸出電壓 Au 為奇函數(shù)，可以展成正弦級(jí)數(shù) si n( )1A kw tb kku ????? (31) 其中 2 s in ( ) ( )0 kw t d w tb k ??? ? (32) Au 可以看成一個(gè)在 0?? 區(qū)間內(nèi) Ud與脈沖個(gè)數(shù)為 i 幅值為 2Ud而寬度不等的脈沖序列相疊加。由于載波比 N一般為奇數(shù)，故 i= (N1) /2，而脈沖的寬度 分別為 _ _ _a a a a a a2 1 。 4 3 。 2 i 2 i 1。因此，式 (32)可表示為 : 2 a 2{ s in ( ) ( ) 2 [ s in ( ) ( )0 a1k w t d w t k w t d w tbUkd??? ? ??? 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 18 aa4 2 is in ( ) ( ) s in ( ) ( ) ] }3 2 i 1k w t d w t k w t d w t???? 4 [ 1 ( c o s c o s ) ]aa2 j 1 2 j1i kku dk j?? ? ?? ??? (33) 圖 如果輸出電壓用標(biāo)么值表示，取 **/(4 / )u u uA A d ?? ，將式 (33)代入式 (31)后可得 1* [ 1 ( c o s c o s ) ] s i naa2 j 1 2 j11 i k k k w tu A kkj?? ? ??? ???? （ 34） 其中第 k次 諧波電壓幅值的標(biāo)么值1* / ( 4 / ) [ 1 ( c o s c o s ) ]aa2 j 1 2 j1iu kkb dk b kk j?? ? ? ?? ??? （ 35） 如果已知載波比 N及調(diào)幅比 *As ， 21aj? ， 和 a2j ，的求法如圖 。 本例中 N=7，則 i=(N一 1)/2=3，需要求 6個(gè) a值。變頻電動(dòng)機(jī)的研究 19 圖 32調(diào)制脈寬的確定 由圖 : /a 1* sin a 1/( 2 )NA sN???? / 3 / ( 2 )a1NN???? 2/ a 2* sin a 2/( 2 )NA sN???? 3 / ( 2 ) 2 /a2NN???? 3/a 3* sin a 3/( 2 )NA sN???? 3 / 7 / ( 2 )a3NN???? 寫成一般表達(dá)式則有 * si n [ ( 2 1 ) / ] / [ / ( 2 )aa2j 1 2j 1 j N NA s ?? ? ? (36) * s i n [ / ] / [ / ( 2 )]a a a2 j 2 j 2 jNNA s ???? (37) 其中 j=1, 2，?? j 根據(jù)給定調(diào)幅比 *As 值，由式 (36)和 (37)直接解出 a2j 和 a2j1 值比較 困難，但可以采用相反的辦法，先假定 a2j 和 a2j1 值，用式 (36)和 (37)求 出相應(yīng)的 *5A 值。對(duì)應(yīng)于一系列 a2j 和 a2j1 值，可求得 * ()2fAs a j? 和 * ()21fAs a j? ? 函 數(shù)曲線，然后再由值 *As 查取對(duì)應(yīng)的 a2j 和 a2j