通用变频器原理与变频器选用原则.doc

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;
Фm—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属于恒转矩调速。
变频器设计时为维持电机输出转矩不变,必须维持每极气隙磁通Фm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属于恒功率调速。
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Фm下降,由于Фm与电流或转矩成正比,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  森兰变频器基本系列介绍
    森兰变频器基本系列、功率、特性简表如表