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李方園（1973－）

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

   

    變頻器拖動負載的效果必須符合用戶的要求和環(huán)境的需要，但是由于負載的多樣性、環(huán)境的千變萬化，變頻器還必須設置相應的參數(shù)來保證變頻器能適應這些負載的要求。如要求風機水泵類負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備之間的共振現(xiàn)象等等。

    本節(jié)內容就是介紹了變頻器一些具體的適應負載方式。

1 自動轉差補償功能

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

      

                                     圖1   自動轉差補償功能

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

    這里給出了電動機額定轉差頻率的計算公式：

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

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

2 載波頻率的調整

    變頻器的信號調制是脈寬調制，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生電磁力并引起振動，產生電磁噪聲。改變載波頻率時，電磁噪聲的音調也將發(fā)生變化，所以，一些變頻器對于調節(jié)載波頻率的功能，稱為“音調調節(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對其他設備的干擾也就越嚴重；高頻電流產生的高頻磁場將通過電磁感應對其他設備的控制線路產生干擾；高頻電磁場具有強大的輻射能量，使通訊設備等易產生擾動信號。

    因此，可以總結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的較為柔和的聲音；有些變頻器提供了“電動機音調調節(jié)”，同樣可以改變電動機運行時的音調。

    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整功能，此時變頻器能夠根據(jù)機內溫度等自動調整載波頻率，并在變頻器實際最高工作載波頻率（用戶可以設定）內選擇一個最優(yōu)值。

3 下垂控制

3.1 基本概念

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

                                        圖2   下垂控制原理

    例如，橋式起重機的“大車”，通常在兩側各設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速同步，而且要求它們的負荷分配盡量均衡。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

    假設電動機M1的轉速偏高，為n1；而電動機M2的轉速偏低，為n2。比較圖3a和圖3b可以看出：① 具有下垂特性時，兩臺電動機所承擔負荷（T1和T2）之間的差異較小。② 比較容易自動協(xié)調兩臺電動機的轉速和負荷分配，M1的電磁轉矩T1較小，下垂特性可使其轉速較快下降；M2的電磁轉矩T2較大，下垂特性可使其轉速較快上升。可見，下垂特性能夠較容易地使兩臺電動機的轉速趨于同步，而負荷分配也趨于均衡。

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

    

                              圖4   傳送帶下垂控制應用

3.2 下垂參數(shù)設置

    對于下垂控制，必須設置以下參數(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，變頻器可以通過設置“下垂頻率變化率”，得到所要求的下垂特性曲線。

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

    (2) 下垂死區(qū)

    為了防止兩臺電動機在自動調整過程中出現(xiàn)轉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）還具有設置“死區(qū)”的功能。就是說，允許兩臺電動機在一個小范圍內有所差異。根據(jù)負載性質的不同，變頻器可以預置兩種死區(qū)：①轉矩死區(qū)，即允許兩臺電動機在相同的轉速下，負荷的分配不完全均衡，而存在較小的轉矩差異（ΔT），如圖5c中所示。②轉速死區(qū)，即允許兩臺電動機在轉矩相同的情況下，它們的轉速不完全一致，存在轉速差異（Δn），如圖5d中所示。

     

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

4 共振預防

    任何設備在運轉過程中，都或多或少會產生振動。每臺設備又都有一個固有振蕩頻率，它取決于設備本身的結構。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速來進行工作的，這就有可能在某一電動機轉速下與負荷軸系的共振點、共振頻率重合，造成負荷軸系因發(fā)生諧振而變得十分強烈以及不能容忍的振動，有時會造成設備停運或設備損壞，因此必須根據(jù)負荷軸系（或生產設備）的共振頻率，通過共振預防，來避免系統(tǒng)發(fā)生此類現(xiàn)象。

    為了預防諧振和共振，變頻器都設置有跳躍頻率，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

    對于共振預防必須引起足夠的重視，尤其是在改造設備的過程中，在某些頻率點出現(xiàn)機械共振，其原因是原來設備只是在50Hz工頻下運行，使用變頻調速后，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，由于負載慣性的影響，可能會出現(xiàn)電動機轉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載電流的實時控制，自動限定其不超過設定的自動限流水平，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整的速率。自動限流時，頻率下降率的數(shù)值設置過小，則不易擺脫自動限流狀態(tài)而可能導致最終過載故障；若頻率下降率的數(shù)值設置過大，則頻率調整程度加劇，變頻器長時間處于發(fā)電狀態(tài)導致過壓保護。

    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；當電動機產生的熱量與發(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準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載過重，使電動機的運行電流超過了額定值，并導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計時一般都充分考慮了負載的最大使用電流并按電動機最大溫升情況進行設計的，對于某些變動負載和斷續(xù)負載，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。

    當負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整，在圖7中，可以看到電動機過載保護系數(shù)設為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，定義允許最大負載電流為負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、故障是變頻器適應負載的重要方式之一，它能在電動機溫升超過設定值時馬上切斷輸出頻率，很大程度上預防了電動機的燒毀現(xiàn)象。圖8所示為電動機過載預報警檢出功能示意圖。

    在圖8中，過載預報警檢出水平定義了過載預報警動作的電動機電流閾值，其設定范圍是相對于額定電流的百分比；過載預報警檢出時間定義了過載預報警檢出必須經過過載預報警狀態(tài)下有效的時間；過載預報警狀態(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   電動機過載預報警檢出功能示意圖

    在一般情況下，過載預報警檢出水平的設置應小于過載保護水平，在過載預報警檢出時間內，工作電流小于過載預報警檢出水平后，機內的過載預報警檢出時間重新計時。

    對于過載預報警檢測功能，可以通過相關的參數(shù)選擇：（1）過載預報警檢測區(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，如果能夠對電動機過載設定值進行重新調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。這個30Hz就是電動機過載功能的轉折頻率。在一般情況下，轉折頻率可按基本頻率的60％～70％來設置，同時應該考慮到負載的類型（恒轉矩負載和變轉矩負載）來設置轉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冷形式，因此電動機的散熱不受轉速影響，不需要進行低速過載時的保護值調整。

7 其他適應負載功能

    除此之外，為了適應不同負載和環(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，通過檢測負載電流，適當調整輸出電壓，達到節(jié)能的目的。

    該功能對風機泵類負載尤其有效，它可以使電動機在保證正常工作的同時，變頻器能準確地根據(jù)電動機的實際負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生的固有振蕩若恒定負載（如齒輪箱傳動等）運行時輸出電流反復變化，在出廠參數(shù)的基礎上調節(jié)該功能碼的大小可消除振蕩，使電機平穩(wěn)運行。

7.3 自動電壓調節(jié)功能

    當輸入電壓偏離額定值時，通過變頻器的自動電壓調節(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 過調制功能

    在長期低電網電壓（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，這就是過調制功能。過調制功能起作用時，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。適當降低頻率，通過負載回饋能量，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置過大時，負載瞬時回饋能量亦很大，可能引起過電壓保護；如果該值設置過小，則負載回饋能量就過小，就起不到低電壓補償?shù)淖饔谩Ｒ虼耍{整頻率下降率參數(shù)時，需根據(jù)負載轉矩慣量及負載輕重合理選擇。

    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，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定負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矩、額定轉速所需要的時間。負載與電機的慣性比就是正反饋控制的比例增益，其值越大，速度指令響應性也越高。
　　
參考文獻：

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應用實踐[M]. 中國電力出版社,2006.

[2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 張燕賓,胡綱衡,唐瑞球. 使用變頻調速技術培訓教程[M]. 機械工業(yè)出版社,2004.

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

[5] 吳忠智,黃立培,吳加林.調速用變頻器及配套設備選用指南[M]機械工業(yè)出版社,2002.