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李方園（1973－）

男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動化專業(yè)，高級工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。

   

    變頻器拖動負(fù)載的效果必須符合用戶的要求和環(huán)境的需要，但是由于負(fù)載的多樣性、環(huán)境的千變?nèi)f化，變頻器還必須設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來保證變頻器能適應(yīng)這些負(fù)載的要求。如要求風(fēng)機水泵類負(fù)載能夠在長期運行中自動節(jié)能運行、要求電動機靜音運行以滿足樓宇控制的需要、要求消除電動機或者機械設(shè)備之間的共振現(xiàn)象等等。

    本節(jié)內(nèi)容就是介紹了變頻器一些具體的適應(yīng)負(fù)載方式。

1 自動轉(zhuǎn)差補償功能

    電動機負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化將影響到電動機運行轉(zhuǎn)差，導(dǎo)致電動機速度變化。通過轉(zhuǎn)差補償，根據(jù)電動機負(fù)載轉(zhuǎn)矩自動調(diào)整變頻器的輸出頻率，可減小電動機隨負(fù)載變化而引起的轉(zhuǎn)速變化，如圖1所示。

      

                                     圖1   自動轉(zhuǎn)差補償功能

    轉(zhuǎn)差補償功能參數(shù)的設(shè)置主要有以下原則：（1）當(dāng)電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，即實際轉(zhuǎn)速高于給定速度時，逐步提高補償增益；（2）當(dāng)電動機處于電動狀態(tài)時，即實際轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，逐步提高補償增益；（3）轉(zhuǎn)差補償?shù)恼{(diào)節(jié)范圍為轉(zhuǎn)差補償限定值與額定轉(zhuǎn)差值的乘積；（4）自動轉(zhuǎn)差補償量的大小與電動機的額定轉(zhuǎn)差相關(guān)，應(yīng)正確設(shè)定電動機的額定轉(zhuǎn)差值。

    這里給出了電動機額定轉(zhuǎn)差頻率的計算公式：

    額定轉(zhuǎn)差頻率＝電動機額定頻率 × （電動機同步轉(zhuǎn)速－電動機額定轉(zhuǎn)速）÷ 電動機同步轉(zhuǎn)速

    式中，電動機同步轉(zhuǎn)速＝電動機額定頻率 × 120 ÷ 電動機極數(shù)。

2 載波頻率的調(diào)整

    變頻器的信號調(diào)制是脈寬調(diào)制，其基本方法是：對輸出的電壓脈沖波，其脈沖的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交點所決定的。在這里，正弦波稱為調(diào)制波，三角波稱為載波，三角波的頻率就是載波頻率。

    在PWM電壓脈沖波序列的作用下，電流波形是脈動的，脈動頻率與載波頻率一致，脈動電流將使電動機鐵心的硅鋼片之間產(chǎn)生電磁力并引起振動，產(chǎn)生電磁噪聲。改變載波頻率時，電磁噪聲的音調(diào)也將發(fā)生變化，所以，一些變頻器對于調(diào)節(jié)載波頻率的功能，稱為“音調(diào)調(diào)節(jié)功能”。

    載波頻率越高，因線路相互之間，以及線路與地之間分布電容的容抗越小，由高頻脈沖電壓引起的漏電流越大。

    載波頻率對其他設(shè)備的干擾主要是由于高頻電壓和高頻電流引起的。載波頻率越高，則高頻電壓通過靜電感應(yīng)對其他設(shè)備的干擾也就越嚴(yán)重；高頻電流產(chǎn)生的高頻磁場將通過電磁感應(yīng)對其他設(shè)備的控制線路產(chǎn)生干擾；高頻電磁場具有強大的輻射能量，使通訊設(shè)備等易產(chǎn)生擾動信號。

    因此，可以總結(jié)出以下載波頻率特性（見表1）。

                               表1   加減速時間的切換

         
    在上述三個因素中，電動機噪聲是最直接的、最明顯的，尤其是在樓宇控制中，為此有些變頻器還提供了“柔聲載波頻率”，即在變頻器運行過程中，能自動地變換載波頻率，使電磁噪聲變成具有一定音調(diào)的較為柔和的聲音；有些變頻器提供了“電動機音調(diào)調(diào)節(jié)”，同樣可以改變電動機運行時的音調(diào)。

    如果在上述因素不對變頻器造成任何影響的情況下，用戶可以選擇載波頻率自動調(diào)整功能，此時變頻器能夠根據(jù)機內(nèi)溫度等自動調(diào)整載波頻率，并在變頻器實際最高工作載波頻率（用戶可以設(shè)定）內(nèi)選擇一個最優(yōu)值。

3 下垂控制

3.1 基本概念

    下垂控制，是負(fù)轉(zhuǎn)差補償?shù)囊环N，是專用于多臺變頻器驅(qū)動同一負(fù)載的場合，以使多臺變頻器達到負(fù)荷的均勻分配。當(dāng)多臺變頻器驅(qū)動同一負(fù)載時，因速度不同造成負(fù)荷分配不均衡，使速度較快的變頻器承受較重的負(fù)載，有了下垂控制特性后，隨著負(fù)載的增加可以使電動機速度下垂變化，最終使負(fù)荷均一、分散。圖2是下垂控制動作后負(fù)載與輸出頻率的關(guān)系。

                                        圖2   下垂控制原理

    例如，橋式起重機的“大車”，通常在兩側(cè)各設(shè)一臺容量相同的電動機，由該兩臺電動機同時拖動。在這種情況下，非但要求兩臺電動機的轉(zhuǎn)速同步，而且要求它們的負(fù)荷分配盡量均衡。解決上述問題的常用方法，就是使電動機具有“下垂特性”。
   
                   (a)自然特性                               (b)下垂特性

                                 圖3   起重機的下垂控制

    假設(shè)電動機M1的轉(zhuǎn)速偏高，為n1；而電動機M2的轉(zhuǎn)速偏低，為n2。比較圖3a和圖3b可以看出：① 具有下垂特性時，兩臺電動機所承擔(dān)負(fù)荷（T1和T2）之間的差異較小。② 比較容易自動協(xié)調(diào)兩臺電動機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷分配，M1的電磁轉(zhuǎn)矩T1較小，下垂特性可使其轉(zhuǎn)速較快下降；M2的電磁轉(zhuǎn)矩T2較大，下垂特性可使其轉(zhuǎn)速較快上升。可見，下垂特性能夠較容易地使兩臺電動機的轉(zhuǎn)速趨于同步，而負(fù)荷分配也趨于均衡。

    還有如五臺變頻器驅(qū)動五臺電動機的傳送帶（見圖4），當(dāng)某臺變頻器的負(fù)載較重時，該變頻器就根據(jù)下垂控制功能設(shè)定的參數(shù)，自動降低輸出頻率，以卸掉部分負(fù)載。

    

                              圖4   傳送帶下垂控制應(yīng)用

3.2 下垂參數(shù)設(shè)置

    對于下垂控制，必須設(shè)置以下參數(shù)：

    (1) 下垂頻率變化率

    由于不同機械對于下垂特性的“下垂度”的要求也往往各不相同。為了滿足不同用戶的不同要求，變頻器可以通過設(shè)置“下垂頻率變化率”，得到所要求的下垂特性曲線。

    在實際調(diào)試中，可以觀察由小到大逐漸調(diào)整下垂頻率變化率值時的變頻器輸出頻率與負(fù)載的關(guān)系，直到達到負(fù)荷平衡為止。

    (2) 下垂死區(qū)

    為了防止兩臺電動機在自動調(diào)整過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上下波動的振蕩現(xiàn)象，有的變頻器（如日本東芝VF-A7系列）還具有設(shè)置“死區(qū)”的功能。就是說，允許兩臺電動機在一個小范圍內(nèi)有所差異。根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同，變頻器可以預(yù)置兩種死區(qū)：①轉(zhuǎn)矩死區(qū)，即允許兩臺電動機在相同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷的分配不完全均衡，而存在較小的轉(zhuǎn)矩差異（ΔT），如圖5c中所示。②轉(zhuǎn)速死區(qū)，即允許兩臺電動機在轉(zhuǎn)矩相同的情況下，它們的轉(zhuǎn)速不完全一致，存在轉(zhuǎn)速差異（Δn），如圖5d中所示。

     

                                    圖5   下垂參數(shù)設(shè)置
　　               (a) 下垂機械特性   (b) 不同下垂頻率變化率的機械特性
　　               (c) 具有轉(zhuǎn)矩死區(qū)的特性   (d) 具有轉(zhuǎn)速死區(qū)的特性

4 共振預(yù)防

    任何設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中，都或多或少會產(chǎn)生振動。每臺設(shè)備又都有一個固有振蕩頻率，它取決于設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)。由于變頻器是通過改變電動機的工作頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速來進行工作的，這就有可能在某一電動機轉(zhuǎn)速下與負(fù)荷軸系的共振點、共振頻率重合，造成負(fù)荷軸系因發(fā)生諧振而變得十分強烈以及不能容忍的振動，有時會造成設(shè)備停運或設(shè)備損壞，因此必須根據(jù)負(fù)荷軸系（或生產(chǎn)設(shè)備）的共振頻率，通過共振預(yù)防，來避免系統(tǒng)發(fā)生此類現(xiàn)象。

    為了預(yù)防諧振和共振，變頻器都設(shè)置有跳躍頻率，其目的就是使電動機拖動系統(tǒng)回避掉可能引起諧振的轉(zhuǎn)速，或者說讓變頻器的輸出頻率跳過該頻率區(qū)域。變頻器的設(shè)定頻率按照圖中的方式可以在某些頻率點做跳躍運行，一般可以定義三個跳躍頻率及每一個跳躍范圍，如跳躍頻率f1、f2、f3及跳躍范圍1、跳躍范圍2、跳躍范圍3。從圖6中可以看出，對共振點的處理變頻器是采取滯回曲線的方式進行頻率升降的。

     
                              圖6   共振回避和跳躍頻率

    對于共振預(yù)防必須引起足夠的重視，尤其是在改造設(shè)備的過程中，在某些頻率點出現(xiàn)機械共振，其原因是原來設(shè)備只是在50Hz工頻下運行，使用變頻調(diào)速后，其頻率則在0～50Hz之間無級變化，因此在某些頻率點上會造成機械共振。

    另外，對于變頻器帶變壓器負(fù)載情況下，也會可能造成諧振，變頻器會發(fā)出異常聲響，空載也會燒毀，此時變頻器需要調(diào)節(jié)的參數(shù)是載波頻率，而不是跳躍頻率。

5 過壓失速和自動限流

5.1 過壓失速功能

    變頻器在減速運行過程中，由于負(fù)載慣性的影響，可能會出現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的實際下降率低于輸出頻率的下降率，此時電動機會回饋電能給變頻器，造成變頻器直流母線電壓的升高，如果不采取措施，則會出現(xiàn)過壓跳閘。

    過壓失速保護功能在變頻器減速運行過程中通過檢測母線電壓，并與失速過壓點進行比較，如果超過失速過壓點，變頻器輸出頻率停止下降，當(dāng)再次檢測母線電壓低于失速過壓點后，再實施減速運行。

5.2 自動限流功能

    自動限流功能是通過對負(fù)載電流的實時控制，自動限定其不超過設(shè)定的自動限流水平，以防止電流過沖而引起的故障跳閘，對于一些慣量較大或變化劇烈的負(fù)載場合，該功能尤其適用。

    自動限流功能需定義的參數(shù)包括自動限流水平和限流時頻率下降率。自動限流水平定義了自動限流動作的電流閾值，其設(shè)定范圍是相對于變頻器額定電流的百分比。限流時頻率下降率定義了自動限流動作時對輸出頻率進行調(diào)整的速率。自動限流時，頻率下降率的數(shù)值設(shè)置過小，則不易擺脫自動限流狀態(tài)而可能導(dǎo)致最終過載故障；若頻率下降率的數(shù)值設(shè)置過大，則頻率調(diào)整程度加劇，變頻器長時間處于發(fā)電狀態(tài)導(dǎo)致過壓保護。

    在自動限流動作時，輸出頻率可能會有所變化，所以對于恒速運行時輸出頻率較穩(wěn)定的場合，不宜使用自動限流功能。

6 電動機熱過載

6.1 基本概念

    電動機過載的基本特征是實際溫升超過額定溫升。因此，對電動機進行過載保護的目的也是為了確保電動機能夠正常運行，不因過熱而燒毀。

    電動機在運行時，其損耗功率（主要是銅耗）必然要轉(zhuǎn)換成熱能，使電動機的溫度升高。電動機的發(fā)熱過程屬于熱平衡的過渡過程，其基本規(guī)律類似于常見的指數(shù)曲線上升（或下降）規(guī)律。其物理意義在于：由于電動機在溫度升高的同時，必然要向周圍散熱，溫升越大，散熱也越快，故溫升不能按線性規(guī)律上升，而是越升越慢；當(dāng)電動機產(chǎn)生的熱量與發(fā)散的熱量平衡時，此時的溫升為額定溫升。

    異步電動機的制造標(biāo)準(zhǔn)按照最高允許溫升定義了不同級別的類型，具體為：A級105℃、E級120℃、B級130℃、F級155℃、H級180℃。

    電動機過載是指電動機軸上的機械負(fù)載過重，使電動機的運行電流超過了額定值，并導(dǎo)致其溫升也超過了額定值。電動機一般過載的主要特點是：(1) 電流上升的幅度不大。因為在電動機選型設(shè)計時一般都充分考慮了負(fù)載的最大使用電流并按電動機最大溫升情況進行設(shè)計的，對于某些變動負(fù)載和斷續(xù)負(fù)載，短時間的過載是允許的。因此，正常情況下的過載電流幅值不會很大。(2) 一般情況下，電流的變化率di/dt較小，上升較緩慢。

6.2 熱過載曲線

    電動機的過載保護具有反時限特性，即電動機的運行電流越大，保護動作的時間越短，如圖7所示。

     
                               圖7   變頻器的過載保護曲線

    例如，當(dāng)電動機的運行電流值為額定電流的150％時，可維持運行十幾分鐘或數(shù)十分鐘；當(dāng)電動機的運行電流值為額定電流的200％時，可維持運行1分鐘；當(dāng)電動機的運行電流值為額定電流的250％時，僅可維持運行幾秒鐘。

    當(dāng)負(fù)載電動機的容量低于變頻器額定容量時，亦可用此功能進行熱過載保護。由于變頻器選配電動機功率大小的差異，因此為了對所配電動機進行有效的過載保護，有必要對變頻器的允許輸出電流的最大值進行調(diào)整，在圖7中，可以看到電動機過載保護系數(shù)設(shè)為80％時的曲線。

    電動機過載保護系數(shù)可由下面的公式確定：

    電動機過載保護系數(shù)值＝允許最大負(fù)載電流 ÷ 變頻器的額定輸出電流 × 100％

    在一般情況下，定義允許最大負(fù)載電流為負(fù)載電動機的額定電流。

    這里值得注意的是：在一臺變頻器拖動多臺電動機時，此功能不一定有效。

6.3 熱過載報警參數(shù)

    對電動機熱過載的監(jiān)視并報警、故障是變頻器適應(yīng)負(fù)載的重要方式之一，它能在電動機溫升超過設(shè)定值時馬上切斷輸出頻率，很大程度上預(yù)防了電動機的燒毀現(xiàn)象。圖8所示為電動機過載預(yù)報警檢出功能示意圖。

    在圖8中，過載預(yù)報警檢出水平定義了過載預(yù)報警動作的電動機電流閾值，其設(shè)定范圍是相對于額定電流的百分比；過載預(yù)報警檢出時間定義了過載預(yù)報警檢出必須經(jīng)過過載預(yù)報警狀態(tài)下有效的時間；過載預(yù)報警狀態(tài)有效即變頻器工作電流超過過載檢出水平，并且保持的時間超過過載檢出時間。

     
                         圖8   電動機過載預(yù)報警檢出功能示意圖

    在一般情況下，過載預(yù)報警檢出水平的設(shè)置應(yīng)小于過載保護水平，在過載預(yù)報警檢出時間內(nèi)，工作電流小于過載預(yù)報警檢出水平后，機內(nèi)的過載預(yù)報警檢出時間重新計時。

    對于過載預(yù)報警檢測功能，可以通過相關(guān)的參數(shù)選擇：（1）過載預(yù)報警檢測區(qū)域是一直有效還是僅在恒速運行時檢測，由于變頻器在拖動某些負(fù)載時加減速時電流會比較大，可以通過本參數(shù)來篩選檢測區(qū)域；（2）過載預(yù)報警動作是報警停機還是不報警且繼續(xù)運行，這取決于負(fù)載的情況，但最終真正過載時，變頻器就會報故障。

6.4 變頻電動機和普通電動機的過載

    普通電動機在低速運行時，其風(fēng)葉的速度也變慢，因此散熱效果變差，溫度升高會使電動機的壽命降低。在此時，如果能夠?qū)﹄妱訖C過載設(shè)定值進行重新調(diào)整降能很好地保護電動機，所以在變頻器的過載方式中都會提供選擇低速補償?shù)姆绞剑詈唵蔚霓k法就是選擇電動機的種類，即普通電動機還是變頻電動機。

    選擇普通電動機方式的，變頻器就會自動進行低速補償，即把運行頻率低于30Hz的電動機過載保護閾值下調(diào)。這個30Hz就是電動機過載功能的轉(zhuǎn)折頻率。在一般情況下，轉(zhuǎn)折頻率可按基本頻率的60％～70％來設(shè)置，同時應(yīng)該考慮到負(fù)載的類型（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和變轉(zhuǎn)矩負(fù)載）來設(shè)置轉(zhuǎn)折頻率時的過載系數(shù)、零頻時的過載系數(shù)。

    選擇變頻電動機，則由于變頻專用電動機采用強制風(fēng)冷形式，因此電動機的散熱不受轉(zhuǎn)速影響，不需要進行低速過載時的保護值調(diào)整。

7 其他適應(yīng)負(fù)載功能

    除此之外，為了適應(yīng)不同負(fù)載和環(huán)境的需要，變頻器通常還具有以下功能：

7.1 自動節(jié)能運行

    自動節(jié)能運行，是指電動機在空載或輕載運行的過程中，通過檢測負(fù)載電流，適當(dāng)調(diào)整輸出電壓，達到節(jié)能的目的。

    該功能對風(fēng)機泵類負(fù)載尤其有效，它可以使電動機在保證正常工作的同時，變頻器能準(zhǔn)確地根據(jù)電動機的實際負(fù)荷為電動機提供最低的電量，能最大程度上節(jié)約電能4～8%。

7.2 電動機穩(wěn)定因子

    變頻器與電動機配合時，有時會產(chǎn)生電流振蕩，修改電動機穩(wěn)定因子可以抑制兩者配合所產(chǎn)生的固有振蕩若恒定負(fù)載（如齒輪箱傳動等）運行時輸出電流反復(fù)變化，在出廠參數(shù)的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)該功能碼的大小可消除振蕩，使電機平穩(wěn)運行。

7.3 自動電壓調(diào)節(jié)功能

    當(dāng)輸入電壓偏離額定值時，通過變頻器的自動電壓調(diào)節(jié)功能（AVR）可保持輸出電壓恒定，尤其在輸入電壓高于額定值時。

7.4 過調(diào)制功能

    在長期低電網(wǎng)電壓（額定電壓－15％以下），或者長期重載工作的情況下，變頻器通過提高自身母線電壓的利用率，來提高輸出電壓，這就是過調(diào)制功能。過調(diào)制功能起作用時，輸出電流諧波會略有增加。

7.5 瞬停不停功能

    瞬停不停功能用于定義在電壓下降或者瞬時欠壓時，變頻器是否自動進行低電壓補償。適當(dāng)降低頻率，通過負(fù)載回饋能量，維持變頻器不跳閘運行。

   使用本功能時，還需定義電壓補償時的頻率下降率。如果電壓補償時的頻率下降率設(shè)置過大時，負(fù)載瞬時回饋能量亦很大，可能引起過電壓保護；如果該值設(shè)置過小，則負(fù)載回饋能量就過小，就起不到低電壓補償?shù)淖饔谩Ｒ虼耍{(diào)整頻率下降率參數(shù)時，需根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩慣量及負(fù)載輕重合理選擇。

    如圖9所示為變頻器在40Hz時瞬時掉電的瞬停不停功能，在額定負(fù)載時進線電壓瞬間中斷，直流母線電壓降到最低極限值。通過瞬停不停功能，變頻器通過降低負(fù)載的頻率以發(fā)電動機模式來運行電動機，并以此提供能量給變頻器。只要電動機具有足夠的動能，電動機速度雖然下降，但變頻器仍會繼續(xù)工作，一旦進線電壓恢復(fù)，變頻器立即可以投入運行。

     

                                    圖9   瞬停不停示意
　                   　UDC：變頻器直流母線電壓  Umains：進線電壓
　                 　TM：電動機轉(zhuǎn)矩        fout：變頻器的輸出頻率

7.6 前饋控制功能

    對于機械剛性較低的負(fù)載，不能提高速度控制器ASR的增益時，也能提高加減速時的響應(yīng)性，減低過沖擊振動，這就是前饋控制功能。在使用本功能時可以設(shè)定負(fù)載與電機的慣性比和電機單機的加速時間。所謂電機電機加速時間，就是電機加速到額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速所需要的時間。負(fù)載與電機的慣性比就是正反饋控制的比例增益，其值越大，速度指令響應(yīng)性也越高。
　　
參考文獻：

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[4] 吳忠智,吳加林. 變頻器應(yīng)用手冊（第2版）[M]. 機械工業(yè)出版社,2003.

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