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告诉你学习变频器的变频变压

电气技术 haoava 484次浏览 0个评论 扫描二维码

小孙又到张老师家里,就迫不及待地拿出一张单子,打算开始提问了。

“慢,”张老师见状,做了个等一等的手势。然后说:

“我先问你,变频器在变频的同时,为什么还要变压?”

“要保持电动机里的磁通不变。”小孙因为已经预习过了,所以回答得很痛快。

“如果电压不随频率改变的话,磁通为什么就要变化了呢?”张老师又问。

变频还须变压

“这个么,”小孙有点抓耳挠腮了。他这几天翻了一些书,好象是要用公式推导的,三言两语说不大清楚。于是说:“好象知道一点,但不是很清楚,还是

请老师讲一讲吧。”

“我们先看一看异步电动机的能量关系吧。”张老师又拿出了一张图,如图1-31。

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接着说:“电动机输入的是三相电功率,计算公式是:

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式中的‘9550’是单位换算的系数。就是说,当转矩的单位用N²m,转速的单位用r/min时,则除以9550 后,算出的功率单位就是kW 了。

 

很明显,输出功率的大小是和频率有关系的,因为频率下降了,转速也跟着下降,如果负载转矩不变的话,输出功率也必下降。

 

电动机从输入电能,到输出机械能,中间是怎样转换的呢?原来,转子绕组因为切割了旋转磁场的磁力线而产生感应电流,所产生的电流又和磁场相互作用而产生电磁转矩,使转子旋转。显然,中间起能量的传递和转换作用的是磁场能,其功率称为电磁功率,用PM 表示。而电磁功率的具体体现就是磁通的大小。

 

现在来看看频率减小后的情形:当频率下降时,电动机的转速必跟着下降。如上述,电动机的输入功率并无直接影响,但输出功率却减小了。其结果,必然是电磁功率的增加。就好象一个人吃得挺多,却不大活动,消耗得少,于是肚子就大了起来,人们常戏称之为‘中部崛起’。但人的‘中部崛起’,主要是体型难看一点,还不至于马上就死。电动机的‘中部崛起’是内在的,“体型”并无变化,它不会发胖,然而,它却要冒烟了,活不成了。”

 

“磁通多了也会发热吗?我只知道电流大了要发热。”小孙问。

“你说得对,发热的主要因素是电流。虽然磁通多了,涡流损失和磁滞损失也会增加,但到不了冒烟的程度。问题在于,磁通的大小将影响到励磁电流。”张老师一边说,一边拿出了图1-32。

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“电动机磁路里的磁通和励磁电流之间的关系,服从磁化曲线的规律,如图(a)所示。其特点是:在起始阶段,磁通大小和励磁电流是呈线性关系变化的,如曲线①之OA段。但铁心里的磁通大到一定程度后,磁路要饱和。就是说,励磁电流再增加,磁通就增加得缓慢了,如曲线①之AB段。励磁电流如果继续增加,磁通几乎不再增加了,这叫做深度饱和,如曲线①之B点以后。

当线圈中通入交变电流时,磁通和电流的波形如图(b)和图(c)所示。图(b)是磁化曲线处于线性段的情形,其特点是:要得到曲线②所示的磁通,只需要很小的励磁电流,(如曲线③所示)就可以了。图(c)是磁路饱和后的情形,其特点是:磁通增加得不多,如曲线④所示,但所需的励磁电流却很大。并且,励磁电流的波形发生了畸变,产生了尖峰电流,如曲线⑤所示。”

“啊,我明白了。电磁功率‘中部崛起’的结果,是磁路饱和,励磁电流大幅增加,并且发生畸变,所以绕组要冒烟。归根结底,还是电流大了导致绕组发热的。”小孙对于自己这一段小结,颇有点得意的感觉。

张老师微笑着点了点头,接着问:“那怎样‘减肥’呢?”

小孙本来想回答:“减小电压呗”。却被老张那风趣的问话弄得不知所措了,只好耸了耸肩,意思是还是请老师讲吧。只听张老师说:“现代医学证明,减肥的有效方法是节制饮食。就是说,要少吃一点。那么,看看电动机的输入功率吧,输入功率的主要因素是电压和电流。电流是不能减小的,因为电流要用来产生电磁转矩的,电磁转矩小了,是带不动负载的。所以,‘少吃’一点的唯一方法,就是降低电压了。”

“真有意思。”小孙听得入神了。

“当然这是定性的、形象化的说法。”张老师接着拿出一张白纸来,看样子是要写字了。

“电动机里,直接反映磁通大小的,是定子绕组的反电动势E1,它的计算公式是:

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所以,改变频率的同时,也要改变电压。但要注意,式(1-6)只是一种近似的替代方法,并不能真正保持磁通不变。

 

变频器的变压手段

下面的问题是怎样实现变频的同时也变压?”张老师捧起了茶杯,眼睛瞧着小孙,仿佛说:你对这个问题了解到什么程度呢?

 

“这个问题我大概能够说清楚。”小孙大着胆子说。接着,从张老师的一堆图画里,找出了一张图1-33,仔细地看了一会儿,然后说。

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“把变频器的输出电压分成许多个小脉冲,并假设每半个周期中,小脉冲的个数是一定的。那么,当这些小脉冲之间的间隔很小时,总的周期较小,而脉冲的占空比则较大,半个周期中的平均电压也较大,如图(a)所示;

 

反之,当这些小脉冲之间的间隔较大时,总的周期就增大了,而脉冲的占空比则变小了,平均电压也降低了,如图(b)所示。占空比的定义么,是:

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变频器实际输出的脉冲不是等宽的,而是使脉冲的占空比按正弦规律分布,叫作正弦脉宽调制,如图(c)那样,代号是SPWM。

 

至于这正弦脉宽调制波形的产生么,好象是求正弦波和三角波的交点得到。”小孙用了“好象”两个字,意思是,我不大清楚了,请老师说吧。 “我们先从比较容易看明白的单极性调制说起吧。”张老师说着,找出了图1-34。

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“总的来说,SPWM脉冲序列,是通过求正弦波和三角波的交点得到的,如图所示。三角波称为载波,正弦波称为调制波。所谓‘单极性’,是指在半个周期内,正弦波和三角波的极性是不变的。调节频率和电压时,三角波的频率和振幅基本不变,只改变正弦波的频率和振幅。图(a)所示,是频率较高时的情形,图(b)所示,是频率较低时的情形。

 

现在的变频器里,单极性调制基本不用。实际用的是双极性调制方式,如图1-35所示。

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所谓双极性调制,是指正弦波和三角波都是双极性的,如图(a)所示。双极性调制得到的相电压脉冲序列如图(b)所示,很难看出它的变化规律来。但是,当把它们合成为线电压时,其脉冲序列就和单极性调制的波形一样了,如图(c)的所示。

双极性调制的工作特点是,同一桥臂的上下两个逆变管总是交替导通的。就是说,每相脉冲序列的正半周作为V1管的驱动信号,则其负半周经反相后作为V2管的驱动信号,如图1-36所示。”

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只见小孙从皮包里拿出了一张图,说:“我用示波器观察过不同频率时的电压波形,粗略的画出了半个周期的波形,大致如图1-37那样。图(a)所示,是50 Hz时的波形,电压有效值是380V;图(b)所示,是25 Hz时的波形,电压有效值是190V;图(c)所示,是10 Hz时的波形,电压有效值是76V。不知对不对?”

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“很好,很好!”张老师高兴地赞扬说。“不过,要是深入地探究起来,则10 Hz时的脉冲个数可能要多一些,这是技术处理方面的问题了,我们主要着眼于应用,就不必深究了。此外,实际应用中,25 Hz时的电压不一定是190V,10 Hz时的电压也不一定是76V。这个问题,留待后面讨论。还有问题么?”

“有!”小孙仿佛想起了什么似地,拍了拍脑袋说:

“有一次,有一个实验室里配了一台变频器,因为实验室本来是很安静的,所以,电动机的电磁噪音就显得很刺耳。我按照说明书的说明,把载波频率从原来的4kHz调高到10kHz,结果,电磁噪音倒是听不见了,但发现变频器的输出电流增大了,

 

不知什么原因?” “这实际上是变频器的输出电压减小了的结果。”张老师说。 载波频率的影响“输出电压和载波频率有关么?”小孙感到奇怪。

 

“有啊!”张老师又找出了一张图1-38。并且指着图说:

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“同一桥臂的上下两个逆变管在交替导通过程中,必须保证原来导通的逆变管(如V1)充分截止后,才允许另一个逆变管(V2)导通。而V1从饱和导通到完全截止之间,是需要‘关断时间’的。因此,在两管交替导通时,需要有一个等待时间,通常称为‘死区’,即图(b)中之δt。死区是不工作的,载波频率较高时,一个周期里死区的个数就多了,则不工作的总时间也多了,变频器的输出电压就要下降了,如图(c)所示。” “啊,”小孙盯着图看,不禁惊呼起来:“载波频率为4kHz时,输出电压还是100%,到10kHz时,电压只有90%了,怪不得电流要增大了。 那么,载波频率对变频器的允许输出电流有影响么?”

“答案是肯定的。”只见张老师又拿出了图1-39,然后说:“这有两个方面的原因:

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第一个原因,是输电线路之间,以及电动机内部的各相绕组之间,都存在着分布电容C0,如图(a)所示。载波频率越高,分布电容的容抗XC0就越小,通过分布电容的漏电流IC0越大,增加了逆变管的负担,逆变管提供给电动机的允许电流就减小了。

第二个原因,前面讲过,逆变管在开关过程中,是要消耗功率的。不消说,载波频率高了,会增加开关损失,使逆变管的温升升高,逆变管的允许输出电流当然也要减小了,如图(b)所示。”

“今天的内容真丰富,我先记一记笔记,回去还要好好消化呢。”

回到公司后,他想起,有一台机器控制柜的电压表是显示变频器输出电压的。所以第二天上午,他就告诉操作工王师傅说,这块表的读数是要随频率而下降的。

 

小  孙  的  笔  记

 

1.电动机里的磁通,太小了会影响带负载能力,太大了又会使磁路饱和,导致励磁电流畸变,产生很大的尖峰电流。磁通大小应尽量保持不变。

2.磁通的大小与反电动势和频率之比成正比。因此,保持磁通不变的基本途径,就是在改变频率的同时,也改变反电动势。但反电动势无法人为地进行控制,所以,用改变电压来近似地代替改变反电动势,使磁通近似地保持不变。 

 

3.变频器里普遍采用脉宽调制的方法来实现调压调速的。所以,变频器的输出电压是按一定规律改变占空比的系列脉冲波。系列脉冲的频率称为载波频率,或开关频率。 

 

4.载波频率对变频器输出侧的影响 (1)对输出电压的影响 逆变桥每个桥臂的上、下两个开关器件总是处于交替导通的状态。在交替导通的过程中,需要设臵‚死区‛,以保证两个开关器件不可能同时导通。载波频率高,则交替的次数多,死区的个数多,死区的总时间大,变频器的输出电压将有所下降。 (2)对输出电流的影响 载波频率高,一方面,会使通过线路间及各相绕组间分布电容的漏电流增加,另一方面,IGBT的开关损耗也增加,IGBT管容易发热。所以,变频器的允许输出电流将减小。

来源:变频器世界


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