变频调速应用技术
3.1.1电流裕量须留意
在变频器的技术数据中，有一栏“配用电动机容量”。从一般的概念来说，在容量适配的情况下，变频器的额定电流应该大于或等于电动机的额定电流，但实际情况却并不完全如此。
3.1.1.1电动机的额定电流因磁极对数而异
电动机的磁极对数越多，则额定电流越大。一般说来，2对磁极(4极)以下的电动机，额定电流都小于同容量变频器的额定电流;但3对磁极(6极)以上电动机的额定电流往往比同容量变频器的额定电流大。
今将通用的Y系列电动机和若干种变频器的额定电流列表如表3-1。
3.1.1.2变频器的额定电流因载波频率而异
西门子440系列变频器的技术数据中，对于不同载波频率时的额定电流有明确规定，以适配电动机为22kW的变频器为例，其额定电流如表3-2所示。
例如，变频器所处环境比较安静，如电动机发出电磁噪音，将十分刺耳，载波频率必须较高者，应注意变频器的额定电流是要打折扣的。
又如，生产机械本身的噪音较大，足以掩盖电动机的电磁噪音，但周围的仪器、仪表较多，容易受到变频器的干扰，则变频器的载波频率应尽量地低。在这种情况下，变频器的额定电流是较大的。
3.1.2负载工况是依据
生产机械在选配电动机时，主要的依据是电动机的温升。只要电动机的温升不超过额定值，在大多数情况下是允许的。
3.1.2.1电动机的温升
电动机在运行时，存在着铜损、铁损以及机械损失等各种功率的损失。这些损耗功率都要转化成热量，使电动机的温度上升。温度太高了，会破坏电动机各部分的绝缘，使电动机由局部短路扩展成相间短路而将电动机“烧坏”。
因此，电动机规定了一个额定温升，定义为电动机允许的最高温度与环境温度之差。我国的环境温度定为40℃。
所以，了解电动机在运行过程中，温度上升和下降的规律是十分重要的。
电动机在温度上升的同时，和周围温度之间便出现了温差，就会向周围空间散发热量。所以，电动机的温升曲线实际上是电动机产生的热量和散发的热量之间互相平衡的结果。
图3-1(a)中的曲线①是发热时的温升曲线。开始时，因为温差较小，散热较少，故电动机的温度上升较快。随着电动机温度的升高，电动机与周转环境间的温差增大，散热加快，温度便上升得慢了。当电动机的温度上升到一定程度时，电动机产生热量的速度与散热的速度相等时，温度便不再升高。这时，电动机的温升称为稳定温升，如图中之θS。图中的曲线②是曲线①的切线，与θ=θS线相交于A点，与A点对应的时间τR称为发热时间常数，通常用来描述过渡过程所需时间的。其物理意义通常有两种解释:
(2) 当温度上升到稳定温升的63%(θ＝0.63θS)所需要的时间。
图3-1(b)中的曲线③是散热时的冷却曲线。当电动机停止运行时，起初因为电动机的温度较高，散热较快。随着电动机的温度与周转环境的温差减小，散热减缓，温度便下降得慢了。曲线④是曲线③的切线，与θ＝0线相交于B点，与B点对应的时间τD称为散热时间常数。τD的物理意义是:温度下降稳定温升的63%所需要的时间。
电动机的发热过程和冷却过程有两个特点:
(1) 发热和冷却的时间常数和周围环境有很大关系;
(2) 发热时间常数和冷却时间常数通常是不相等的。
3.1.2.2连续不变负载的变频器选择
所谓连续不变负载，是指负载是连续运行的，在运行过程中，负载转矩的大小基本不变。如图3-2中的曲线①所示。
常见的连续不变负载有:带式输送机、风机、水泵等。
这类负载在选择变频器时，原则上只需使变频器的“配用电动机容量”与电动机的实际容量相等即可:
PN＝PMN (3-1)
式中，PN—变频器的“配用电动机容量”，kW;
PMN—电动机的额定容量，kW。
3.1.2.3 连续变动负载与断续负载的变频器选择
(1) 连续变动负载
负载是连续运行的，但负载的轻重却是经常变动的，如图3-3(a)所示。例如，塑料挤出机的工况就属于这一类。
(2) 断续负载
有的负载时开时停，开的时候，电动机的温升达不到稳定温升;停的时候电动机的温升也降不到0。起重机械的工况就属于这一类。
对于这类负载，选择电动机容量的基本原则和连续变动负载相同，即:只要电动机的温升不超过额定温升，短时间的过载是允许的。
这里的“短时间”，是相对于电动机的发热过程而言的，通常是几分钟、几十分钟，乃至更长。而变频器的过载能力最多只有1min。所以，对于电动机来说，可以认为，变频器是没有过载能力的。因此，对于以上两类负载，在选择变频器容量时，原则上应该加大一挡。如果更准确一点，则应测量电动机在运行过程中的最大电流，变频器的额定电流应满足:
IN≥IMmax (3-2)
式中, IN—变频器的额定电流，A;
IMmax—电动机的最大运行电流，A。
3.1.2.4短时负载
负载运行的时间很短，而休息的时间则很长。在运行时间内，电动机的温升达不到稳定温升，而在休息时间内，电动机的温升能够下降为0，如图3-4所示。三峡水电站船闸门的工况就属于这一类。
在选择变频器时，也是按式(3-2)来决定其容量。
3.1.3一变多机算仔细
有时，一台变频器需要带多台电动机，如图3-5所示。根据电动机起动情况的不同，选择变频器的原则如下。
如果所有电动机都同时起动的话，则变频器的输出频率可以从0Hz开始缓缓上升。各电动机的起动电流可以控制在额定电流以内。所以，变频器的容量可按如下公式选择:
IN＞1. 05～1.1×ΣIMN (3-3)
式中，ΣIMN —各电动机额定电流之和，A。
3.1.3.2多台电动机分别起动
如果各电动机分别起动的话，则除了第一台电动机可以变频起动外，其他电动机都是在某一频率下直接起动。这时，需要考虑的因素有:
(1) 变频器必须能够承受各电动机直接起动时的起动电流;
(2) 由于起动电流持续的时间很短，一般不会超过1min。因此，变频器的过载能力可以考虑进去。故变频器的容量可按如下公式选择:
(3-4)
式中，IST─电动机的起动电流(为额定电流的5-7倍)，A;
ΣIST─同时起动电动机的总起动电流，A;
K1─安全系数。如后起动电动机都从停止状态起动时，K1=1.2;如后起动电动机有可能从自由制动状态下重新起动时，K1=1.5－2;
K2─变频器的过载能力，K2=1.5。
3.2 基本电路要配好
3.2.1外接电路心有底
变频器的外接主电路如图3-6所示，应配置的器件主要有:
主要功用有:
(1) 用于接通电源;
(2) 当需要修理时，用于隔离电源;
(3) 当出现短路等故障时，用于迅速切断电源。
3.2.1.2 输入侧接触器(kM)
主要功用有:
(1) 用于将变频器接至电源;
(2) 当变频器因故障而跳闸时，可切断电源。
3.2.1.3 快速熔断器(FU)
主要功用是:当发生短路等故障时，用于迅速切断电源，保护变频器。
因为快速熔断器的保护作用和断路器的保护作用相同，因此，对于接入快速熔断器的必要性，并无定论。
3.2.2断路电流勿太低
这里所说的“断路电流”，是指断路器和快速熔断器的保护电流。
3.2.2.1需要考虑的问题
(1) 变频器接通电源时，有较大的充电电流。对于容量较小的变频器，有可能使断路器或快速熔断器误动作，接线图如图3-7所示;
(3) 变频器本身具有150%，1min的过载能力。如果断路器和快速熔断器的动作电流过小，将使变频器的过载能力不能发挥作用。
3.2.2.2选择原则
IQN≥(1.3～1.4)IN (3-5)
式中，IQN—断路器和快速熔断器的额定电流，A。
3.2.3输入输出要点记
这时所说的输入、输出，是指输入电路和输出电路中的接触器的选择。
3.2.3.1输入侧接触器
(1) 输入接触器的作用
当变频器因故障而跳闸时，可使其线圈失电，其主触点使变频器脱离电源，如图3-8(a)所示。
因为接触器本身并无保护功能，故不必考虑误动作的问题。只要其主触点的额定电流大于变频器的额定电流就可以了: IKN≥IN (3-6)
式中，IKN—接触器主触点的额定电流，A。
3.2.3.2 输出侧接触器
(1) 输出侧不接接触器
在一台变频器驱动一台电动机的情况下，不建议接入输出接触器，如图3-8(b)所示。这是因为，如果输出侧接入了接触器，有可能出现变频器的输出频率从0Hz开始上升时，电动机却因接触器未闭合而不起动，等到输出侧接触器闭合时，变频器已经有较高的输出频率，形成电动机一定频率下的直接起动，导致变频器因过电流而跳闸。
此外，变频器的输出侧也不必接热继电器。
(2) 必须接入输出接触器的场合。但在某些场合，变频器的输出侧又不可避免地需要接入接触器。
例如，变频运行需要和工频运行进行切换的场合，当电动机工频运行时，必须使电动机首先与变频器脱离，这就需要用接触器了，如图3-9(a)所示。
(3) 选择原则
由于输出电流中含有频率与载波频率相同的谐波成分，故接触器主触点的额定电流应略大于电动机的额定电流:
IKN≥1.1IMN (3-7)
3.2.3.3 热继电器防止误动作的措施
变频器的输出电流中，存在着与载波频率相等的高次谐波电流。所以，在负载相同的情况下，变频运行时的电动机比工频运行时略大，这就容易导致热继电器的误动作。为此，应在热继电器的发热元件两端，并联一个电容器，将高次谐波电流旁路掉，如图3-10所示。
3.2.4.1变频器与电动机之间的导线
当电动机与变频器之间的距离较长时，须注意线路电压降的影响。因为在低频运行时，变频器的输出电压较低，线路电压降的影响将会变得十分明显，影响电动机的正常运行，如图3-11所示。
ΔU≤(2～3)%UN (3-8)
式中，ΔU—线路的电压降，V;
UN—变频器的额定电压，V。
3.2.4.2 变频器输出端需要接入电抗器的场合
在一些特殊场合下，变频器的输出侧需要接入输出电抗器。主要有以下两种情况(见图3-12):
因为变频器的输出电压是按载波频率变化的高频电压，输出电流中也存在着高频谐波电流。当电动机和变频器间的距离较远时，在传输线路中，分布电感和分布电容的作用将不可小视。可能出现的现象有:电动机侧电压升高、电动机发生振动等。接入输出电抗器后，可以削减电压和电流中的高次谐波成分，从而缓减上述现象。
(2) 轻载的大电动机配用容量较小的变频器 例如，电动机的容量为75kW，实际运行功率只有40kW。这时，可以配用一台55kW的变频器。但必须注意，75kW的电动机与55kW的电动机相比，其等效电感较小，故电流的峰值较大，有可能损坏55kW的变频器。接入输出电抗器后，可以削减输出电流的峰值，从而保护了变频器。
3.3 供电部门不能恼
3.3.1输入电流正弦非
三相整流桥的输入电路具有如下的特点:因为其输出侧是较高的直流电压。以交流侧线电压为380V为例，输出侧直流电压的平均值为513V。输入侧的电压瞬时值只有在超过直流电压值的情况下，才有可能出现电流，如图3-13(b)和(c)所示。显然，输入电流是非正弦波。其频谱分析的结果如图(d)所示。可以看出，其5次谐波和7次谐波的成分是非常高的。
功率因数的定义:
(1) 功率因数的基本定义
功率因数的基本定义未变，仍然是平均功率(有功功率)与视在功率之比:
(3-9)
式中, λ—全功率因数;
P─有功功率，kW;
S─视在功率，kVA;
(2) 位移因数
因电流比电压滞后导致的平均功率的减小的因子，称为位移因数，即cosφ。这也是我们所熟知的功率因数，如图3-14(a)所示。在分析电动机的定、转子电路时，因为电流基本上是正弦电流，所以仍用cosφ。
任何高次谐波电流都是无功电流，以5次谐波电流为例，其瞬时功率如图3-14(b)所示。由图可以看出，每半个周期内，“＋”的瞬时功率之和，与“－”的瞬时功率之和正好相等，平均功率为0。因此，当电流中含有高次谐波成分时，平均功率是比较低的。由此而导致的平均功率减小的因子，称为畸变因数，等于电流基波分量的有效值与总有效值之比:
(3-10)
式中，υ─电流的畸变因数;
I1─电流的基波分量，A;
I5、I7、……─5次谐波电流、7次谐波电流、……，A。
(4) 全功率因数:全功率因数的计算如下:
λ＝υ·cosφ (3-11)
需要注意的是，指针式的功率因数表是按照cosφ的原理制作的。用功率因数表测量变频器输入侧的功率因数时，读数为“1”。但这是错误的，因为它只能测量位移因数，而没有把畸变因数反映进去。
3.3.3减少谐波用心计
要改善变频器进线侧的功率因数，必须对症下药，设法削弱电流中的高次谐波成分。
3.3.3.1配接交流电抗器
三相交流电抗器在电路中的接法如图3-15(a)所示，外形则如图3-15(b)所示。
应该接入交流电抗器的场合如图3-16所示，主要有:
(2) 大容量晶闸管设备和变频器装在同一网络中时，如图(b)所示。大容量的晶闸管设备本身也是干扰源，它和变频器将互相干扰，乃至不能正常工作。
(3) 变频器的容量不足供电变压器容量的十分之一时，如图(c)所示。这是因为，当变压器的容量相对较小时，变压器副方绕组的电抗能够起到交流电抗器的作用。
3.3.3.2直流电抗器
直流电抗器接在整流桥和滤波电容器之间，如图3-17(a)所示。其外形如图3-17(b)所示。
直流电抗器容易自制。只需找一个废了的变压器铁心，在铁心上绕上若干圈即可。绕的匝数以电动机满载时，电抗器上的电压降不超过平均直流电压的3%为宜。
3.3.3.3采用12脉波整流
三相整流桥整流后的电压波形有6个“脉波”，如图3-18中的两个整流桥整流后的波形所示。
将该两个整流桥的输出侧并联，则并联后的电压波形具有12个脉波，如图中右侧所示之波形。由图可见，直流电压明显地平稳了。
但12脉波整流更大的优点在于:其输入电流的波形明显地改善了，如图中左下方所示。
有关资料表明:6脉波整流时，电流的失真率达88%;接入直流电抗器时，电流的失真率改善为40%;而12脉波整流时，电流的失真率只有12%。
3.4 睦邻友好抗干扰
变频器中，由于主电路内的电压和电流中，含有较多的高次谐波成分，容易干扰其他设备的正常工作，弄得“四邻不安”。所以，解决好抗干扰问题，是十分重要的。
3.4.1干扰源于众谐波
如上述，干扰源是变频器中的非正弦电流和电压，主要有:
(1) 输入电流
如3.3.1节中所述，输入电流中有十分丰富的高次谐波成分，如图3-19中的曲线①;
变频器的输出电压是经过正弦脉宽调制后的系列脉冲，非但频率高(等于载波频率)，且幅值在(＝513V)，如图3-19中之曲线②;
(3) 输出电流
变频器的输出电流与正弦波十分接近，但也不可避免地存在着与载波频率相等的高次谐波成分，如图3-19中之曲线③所示。
3.4.2电路耦合比较多
3.4.2.1传播途径
传播途径有两个:
(1) 网络传播
即通过电源网络传播。实质上是变频器输入侧的非正弦电流使网络电压波形发生畸变，干扰了其他设备的正常工作。这是比较重要的一种传播方式，如图3-20(a)中之虚线①所示;
即通过地线把非正弦波传播到其他设备，如图3-20(b)中之虚线②所示。
3.4.2.2抗干扰方法
削弱网络传播干扰信号的主要方法是隔离，具体如下:
(1) 电源隔离
当其他设备的容量不大时，可在受干扰设备的电源处，加接一个隔离变压器，如图3-20(b)中之①所示。
(2) 线性光耦合隔离
在受干扰设备的输出或输入信号处，加接线性光耦合管，如图(b)中之②所示。
3.4.3感应耦合容易躲
3.4.3.1干扰方式
(1) 电磁感应方式
这是电流干扰信号的主要传播方式。当其他设备的控制线接近变频器的主电路时，将切割由高次谐波电流产生的高频电磁场而产生干扰电流，如图3-21(a)中之iM所示。
这是电压干扰信号的主要传播方式。当其他设备的控制线接近变频器的主电路时，高频电压波将通过线与线之间的分布电容以静电感应的方式使之产生干扰电流，如图3-21(b)中之iC所示。
3.4.3.2 削弱方法
(1) 远离
感应干扰有一个前提条件:就是其他设备的控制线和变频器的主电路之间的距离必须十分接近。因此，只要使其他设备的控制线远离变频器的主电路，就可以避免受到干扰了;
(2) 相绞
因为主电路中高频电流(iH)的磁场总是垂直于导线的，控制线中的感应电动势总是呈回路方式的，如图3-22(a)所示。当两根控制线相绞时，两个相邻“回路”中的电动势正好互相抵消。有资料表明，绞距越小，抗干扰效果越好;
所有的控制线一定要用屏蔽线，屏蔽线的屏蔽层只能在一端接公共端或接地，如图3-22(b)所示;
(4) 不平行
如果其他设备的控制线和变频器的主电路之间不能远离时，也千万不要平行，最好是互相垂直。
3.4.4空中幅射电磁波
3.4.4.1干扰方式
频率较高的高次谐波电流具有向空中辐射电磁波的能量。频率越高，辐射能越强。这种辐射电磁波将对附近的电子设备形成干扰，尤其是通讯设备，更容易受到干扰，如图3-23(a)所示。
(1) 准确接地
电子设备(包括变频器)一般都有金属外壳，所有设备的金属外壳都必须单独接地，如图(b)所示。而不要多台设备一起接地，如图(c)那样。
(2) 接入滤波器
滤波器专门用于削弱变频器主电路中的高频电流的，如图3-24所示。实践证明，滤波器的抗干扰效果是比较好的。
如1.5.1节中所述，变频器的滤波电路是由两组电容器串联而成的。因此，在直流电路中，实际上存在着三个电平，即:正端(P)、电容器的中间端(O)和负端(N)。但在大多数变频器中，电容器的中间端未被利用。
日本的安川G7系列变频器中，采用了三电平逆变的方式，其逆变电路如图3-25(a)所示。每个逆变桥臂由4个开关器件构成，变频后的三相电压由各桥臂的中心端输出，桥臂上半部的各开关器件之间，分别由二极管VD01、VD03、VD05箝位，使之与电容器的中间端(O)等电位;桥臂下半部的各开关器件之间，则分别由二极管VD04、VD06、VD02箝位，也与电容器的中间端(O)等电位。