变频调速应用技术 第三讲 选好系统上变频.doc

变频调速应用技术(五) 第三讲 选好系统上变频3.1 变频选型最重要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。由表3-1可以看出，各种变频器的额定电流小于4对磁极(8极)电动机额定电流的情况比较普遍，需要引起注意。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。表3-2表明，随着载波频率的上升，变频器允许的额定电流下降的幅度是不小的。极大多数变频器在技术数据中，并未说明其额定电流对应的载波频率。用户在选择时必须根据变频器周围的具体环境慎重选择。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s。图中的曲线是曲线的切线，与=s线相交于a点，与a点对应的时间r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:图3-1 电动机的发热与散热(1) 如果电动机不散热，达到稳定温升所需要的时间;(2) 当温度上升到稳定温升的63%(0.63s)所需要的时间。图3-1(b)中的曲线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。曲线是曲线的切线，与0线相交于b点，与b点对应的时间d称为散热时间常数。d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中的曲线所示。图3-2 连续不变负载的容量选择电动机在拖动这类负载时，温升能够达到稳定温升s，s是与负载转矩对应的稳定温升。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:pnpmn (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。图3-3 连续变动负载与断续负载当电动机拖动这类负载时，其温升将随着负载转矩的轻重而变化。对于这类负载，选择电动机容量的基本原则是:只要电动机的温升不超过额定温升，允许短时间过载。(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:inimmax (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。图3-4 短时负载对于这类负载，在决定电动机容量时，并不考虑电动机的发热问题，而主要考虑电动机的过载能力。实际上，这类负载的电动机总是在过载状态下运行的。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。图3-5 一台变频器带多台电动机3.1.3.1多台电动机同时起动和运行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:in1. 051.1imn (3-3)式中，imn 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;ist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=1.52;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:图3-6 变频器外接主电路3.2.1.1断路器(q)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;图3-7 变频器接通电源(2) 变频器的输入电流内，含有大量的高次谐波成分。因此，电流的峰值有可能比基波分量的振幅值大很多，导致断路器和快速熔断器的误动作;(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(1.31.4)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。图3-8 输入与输出电路(2) 选择原则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: iknin (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。图3-9 必须接输出接触器的场合又如，当一台变频器与多台电动机相接时，则各台电动机必须通过接触器与变频器相连，如图3-9(b)所示。当需要接入输出接触器时，热继电器也是应该接入的。(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:ikn1.1imn (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。图3-10 热继电器防止误动作3.2.4 注意分析接电机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。图3-11 输出电路的电压降为此，要求将线路电压降限制在比较小的范围内:u(23)%un (3-8)式中，u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):图3-12 需要接入输出电抗器的场合(1) 电动机和变频器间的距离较远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。图3-13 输入电流的波形及其谐波分析3.3.2功率因数有新意功率因数的定义:(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, 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cos。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cos。图3-14 滞后电流与谐波电流的功率(3) 畸变因数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，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:cos (3-11)需要注意的是，指针式的功率因数表是按照cos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。图3-15 交流电抗器单就提高功率因数的效果而言，接入交流电抗器后的效果并不理想，只能将功率因数提高至(0.750.85)。但交流电抗器还具有削弱浪涌电流和电源电压不平衡的影响等功能，因此，在不少场合，是需要接入交流电抗器的。应该接入交流电抗器的场合如图3-16所示，主要有:图3-16 应该接入交流电抗器的场合(1) 多台变频器接在同一网络中时，如图3-16(a)所示。当同一网络中变频器的台数较多时，网络的电压波形将发生畸变，干扰其他设备的正常工作，变频器相互间也会互相干扰，难以正常工作。(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。图3-17 直流电抗器就提高功率因数的效果而言，直电流电抗器优于交流电抗器，可将功率因数提高至0.9以上。接入直流电抗器后，变频器进线电流的波形如图3-17(c)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。图3-18 12脉波整流今采用一个具有两组副方绕组的三相变压器，一组接成星形，另一组接成三角形。则该两组副方绕组输出电压间的相位，将互差30(/6)，各自经全波整流后的电压波形如图3-18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;图3-19 变频器的电压、电流波形(2) 输出电压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;(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)中之虚线所示;图3-20 电路传播与隔离(2) 地线传播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。图3-21 电磁感应与静电感应(2) 静电感应方式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;图3-22 绞线与屏蔽线抗干扰(3) 屏蔽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。图3-23 空中辐射与接地3.4.4.2 削弱方法(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。图3-24 接入滤波器3.4.5三档电平干扰缩如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。图3-25 三电平逆变以第一桥臂为例。当逆变管v2和v3全导通时，v1和v4交替导通，所得输出电压波形如“po”和“o-n”所示;而当v1和v4全导通时，v2和v3交替导通，所得输出电压波形如“on”和“po”所示。所得到的全电压波形如图3-25(b)所示，每个交替导通区间的电压幅值都只有直流电压ud的一半。三电平逆变的优点是:通过变频器输出线之间以及输出线和地之间的旁路电容的泄漏电流将大为减小。与此同时，由于静电感应造成的对其他设备的干扰也大为减小。3.5 能耗电路勿硬套能耗电路的作用在2.3.2节中已经讲述了。在变频器的说明书上，对于制动电阻的规格，大多给出了一个参考数据。但事实上，说明书上制动电阻的规格，只适用于一般降速的情况下。在许多场合，须根据生产机械的具体情况来具体决定的，不要按照说明书硬套。3.5.1 应用场合要知底3.5.1.1 负载要求快速停机在一般情况下，如在降速过程中直流电压超过上限值，可以通过“防止跳闸功能”来避免跳闸，而不必要配置能耗电路。但防止跳闸功能实际上将延长减速时间，这将满足不了某些生产机械必须快速停机的要求。遇到这种情况，必须配置能耗电路，即制动电阻和制动单元。3.5.1.2 重物下降当起升机构放下重物时，由于重物重力加速度的带动，使转子的转速超过同步转速，电动机处于 发电机状态，并使直流电压上升至超过上限电压值，如图3-26(b)所示。对于这种情况，必须接入能耗电路。图3-26 必须配能耗电路的场合3.5.2 能耗电路算仔细3.5.2.1 制动电流的近似估算准确计算制动电流非但比较麻烦，也没有必要。统计资料表明，当流过能耗电路的制动电流ib等于电动机额定电流的一半时，电动机的制动转矩大约等于其额定转矩:ibimn/2tbtmn(3-12)式中， ib制动电流，a;imn电动机额定电流，a;tb制动转矩，nm;tmn电动机额定转矩，nm。一般情况下，制动转矩的选择范围是:tmntb2tmn(3-13)用户可根据生产机械的具体情况，按式(3-12)和(3-13)来决定制动电流。3.5.2.2 制动电阻的计算(1) 电阻值当制动电流决定以后，计算制动电阻是十分容易的:(3-14)式中，rb制动电阻值，; ubh直流电压的上限值，v。图3-27 能耗电路及其接法(2) 直流电压的上限值按照国家规定，网络电压的最大上限值，不应超过额定值的10%，故一般规定直流电压的上限值如下:ubhul(110%) (3-15)式中，ul输入线电压的有效值，v。我国的网络电压统一为380v，则直流电压的上限值应为600v。但进口变频器的进线电压最高可达460v，故直流电压的上限值大多定为700v。也有定为800v的。(3) 制动电阻的容量当制动电阻接入电路时，所消耗的功率为:(3-16)式中，pbo制动电阻接入电路时消耗的功率，kw。因为能耗电路并不总是处于导通状态的，并且，每次导通的时间往往不长。所以，实际制动电阻的容量可以适当减小:pbbpbo(3-17)式中，pbo制动电阻容量的实际值，kw; b容量的修正系数。b的取值范围大致如下:用于减速或停机时b0.10.5用于运行发电时b0.81.0“运行发电”的主要特点是，电动机处于再生制动的持续时间较长。例如:起重机械放下重物的过程、矿山竖井或斜井以及电动扶梯的下行过程，卷绕机械的放卷过程等。3.5.2.3 自己配制制动电阻(1) 方法介绍制动电阻烧坏后，如果一时买不到，而生产现场又不允许长时间停机，可以自己配制，方法如下:一般情况下，制动电阻可以用电炉丝或其他电热设备中的发热元件来代替。由于发热元件的额定电压通常是220v，而处于再生制动状态的直流回路的平均电压约为650v700v，故发热元件应以三组串联为宜，如图3-28所示。图3-28 自制制动电阻发热元件的额定数据只有两个:额定功率和额定电压。上述数据是在发热状态下的数值。根据额定数据，其热态电阻值可计算如下:(3-18)式中, pen发热元件的额定功率，w;uen发热元件的额定电压，v;re发热元件的热态电阻，。由于电热设备的工作温度一般在200以内，热态电阻与冷态电阻的差别并不很大，故式(3-18)的计算结果是可用的。各种规格发热元件的电阻值见表3-3。(2) 计算实例某37kw电动机，起、制动频繁，按变频器说明书配置了制动电阻和制动单元。制动电阻的规格是:20、5kw，制动单元的动作电压是700v。结果，用不多久，制动电阻就烧坏了。首先，需要审核说明书的数据。制动电阻接入电路时消耗的功率是:则说明书中制动电阻的修正系数是:对于起动与制动比较频繁的负载，以及对于向下运行的重力负载来说，上述修正系数显然是太小了。其次，计算用用发热元件代替的方案。今采用9根2kw的发热元件串、并联来代替，如图3-28所示。则:合成热态电阻rb的大小为:rb24.2冷态电阻值接近于20。发热元件总的额定功率:pb2918kw修正系数增大为:可见，制动电阻的容量已经足够了。用发热元件作制动电阻时，非但价格比较低廉，并且在安装时可以根据用户的具体情况灵活安排。3.5.2.4 制动单元的基本原理(1) 制动单元的作用如图3-29(a)所示:ududhbv导通;ududhbv截止。这里, ud直流主电路的电压，v;udh直流电压的上限值，v;bv制动单元。(2) 制动单元的框图和原理 如图3-29(b)所示。图3-29 制动单元的构成ua是与电压上限值udh(700v)对应的基准电压;us是与ua直流电压的实际值对应的采样电压。us和通过比较器进行比较后工作如下:ududhusua比较器输出为“”驱动电路输出为“”bv导通;ududhusua比较器输出为“”驱动电路输出为“”bv截止。3.5.2.5 功率器件可用交流接触器制动单元非但价格昂贵，且容易损坏。并且由于应用较少，各营销公司大多没有备品。故一旦损坏，难以立刻买到，影响生产。如用交流接触器来代替制动单元(见图3-30)，则非但可以克服上述缺点，且价格十分低廉。一旦损坏，用户可以自行更换。图3-30 用交流接触器代替制动单元方法如下:将交流接触器的三对主触点串联后代替制动单元的开关器件。三对主触点串联的原因是:(1) 交流接触器主触点的耐压是500v，而直流电路的工作电压则大于500v。三对串联后，耐压达1500v，裕量足够;(2) 交流接触器的灭弧系统较差，一般不适宜用在直流电路中。三对触点串联后，可以加强灭弧作用。又由于是电阻电路，灭弧相对容易。为了防止接触器的触点过快地通、断交替，其动作电压与释放电压之间应该设置一定的差值。例如:ud650vusua比较器输出为“”继电器kb吸合接触器km闭合;ud620vusua比较器输出为“”继电器kb断开接触器km断开。如接触器发生故障，用户可以自行更换。万一控制部分发生故障，用户可以采取临时的应急措施如下:如用于停机过程中，则可使接触器线圈在每次停机时得电，即可解决;如用于起重机械的重物下降过程中，则可使接触器线圈在每次下降时得电，即可解决。上述方法，只能作为临时的应急措施，而不宜长期使用。如长期使用，则耗能较多。3.6 测量方法细思考3.6.1 输出电压整流表3.6.1.1 电磁式仪表电磁式仪表是工厂里最常用的测量仪表，其基本结构如图3-31(a)所示，图中，是线圈，用于通入被测电流ix;是铁心，当线圈中通入电流后，铁心将被吸入;是指针，与铁心同轴，其偏转角取决于铁心的吸入程度。图3-31 电磁式仪表测电压电磁式电压表的工作原理如下:被测电压uxix铁心吸入多指针偏转角。但是，在电压相等的情况下，如果频率不同，流入线圈的电流也不一样:fxxl=2fxlix铁心吸入多指针偏转角。因此，在低频情况下，用电磁式电压表测量的结果大于实际值，如图3-31(c)所示。图中，曲线是准确测量的结果，曲线是电磁式电压表测量的结果。例如，当fx20hz时，准确的测量结果是160v，而电磁式电压表的测量结果却是240v。3.6.1.2 数字式仪表数字式仪表的基本测量过程是，每隔一段时间测量一次(采样一次)，把测量结果记录下来，然后对一段时间内各次的测量结果取平均值。在图3-32中，图3-32(a)所示是测量的部位和被测电压的波形;图3-32(b)所示是测量过程;图3-32(c)所示是测量结果。图3-32 数字式仪表测输出电压图3-32(b)的上部是放大了的被测电压波形，中间是采样脉冲，下面是采样结果。由图可以看出:(1) 因为采样脉冲的波形是频率固定的系列脉冲，而被测电压的波形是经脉宽调制后的脉冲序列，两种脉冲常常不能重合。就是说，只能采样到部分被测电压的脉冲;(2) 只要被采样到了，则每次的采样结果都是被测电压的幅值。(3) 当频率下降时，被测电压的脉冲之间的间隔变大了，但幅值不变。所以，被采样到的脉冲的平均值偏大，如图(c)中之曲线所示。当fx20hz时，而数字式电压表的测量结果高达300v。3.6.1.3 整流式仪表整流式仪表使用的是磁电式仪表的表头，其基本结构如图3-33(a)所示。图中，是永久磁铁; 是偏转线圈，用于通入被测电流ix; 是磁钢，用于作为磁路的一部分; 是指针，与偏转线圈同轴。图3-33 整流式仪表测输出电压磁电式电压表的工作原理如下:被测电压uxix线圈受到的电磁力指针偏转角。由于偏转线圈必须做得十分轻盈，故线圈的匝数不可能很多，线圈的电阻值就比较小。当测量电压时，必须串联一个电阻值比线圈电阻大得多的附加电阻。所以，测量电路基本上是电阻性质的。如果电流方向改变，则线圈所受电磁力的方向也要改变。所以，磁电式仪表只能用于测量直流量，而不能测量交变量。当测量交流电压时，必须先把被测量整流成直流电压而成为整流式仪表，如图3-33(b)和(c)所示。整流式电压表测量变频器输出电压时的测量结果如图3-33(d)所示。图中，曲线是准确的测量结果，曲线是整流式电压表的测量结果，可见，两者是十分接近的。6.3.2 输入电流常常小各种仪表直接测量电流时的最大测量范围只有5a，超过5a时，通常要借助于是电流互感器，如图3-34(b)所示。图3-34 非正弦电流的测量由于变频器的输入电流中含有大量的高次谐波成分，电流的总有效值为:(3-19)式中, iin变频器的输入电流，a;i1输入电流中的基波电流，a;i5、i7、输入电流中的5次谐波电流、7次谐波电流等，a。而电流互感器在测量频率较高的电流时，误差是比较大的。以测量7次谐波电流为例，说明如下:(1) 铁心的导磁率f7这里，f77次谐波电流的频率，hz; 导磁率。(2) 铁心中的功率损失pfe7f72 f7p7这里，pfe77次谐波电流产生的铁损，kw; p7互感器副方的7次谐波电流功率，kw。(3) 互感器绕组和仪表绕组的感抗xl2fl f7xl7i7这里, l互感器绕组和仪表绕组的电感，h;xl互感器绕组和仪表绕组的感抗，;xl7互感器绕组和仪表绕组的与7次谐波频率对应的感抗，;i7互感器副方的7次谐波电流，a。(4) 绕组分布电容的分流作用加大f7ic7这里，ic7被旁路电容分流的7次谐波电流，a。所以，互感器副方测得的电流为:(3-20)式中，i5、i7、互感器副方测得的5次谐波电流、7次谐波电流、等，a。由于各高次谐波电流小于实际的高次谐波电流:i5i5、i7i7、i11i11所以，用电流互感器(包括钳形电流表)测量变频器的输入电流时，所得的电流读数小于实际值。6.3.3 输入功率三表要6.3.3.1 功率表的结构与原理测量电功率通常采用电动式仪表，如图3-35(a)所示。图3-35中，是静止线圈，通常用来作为电压线圈;是活动线圈，通常用来作为电流线圈;是指针，与活动线圈相联接。图3-35 功率的测量指针的偏转角取决于两个线圈所产生磁场之间的作用力。数值上一些正比于两个磁场强度的乘积，也就正比于电压和电流的乘积，从而与功率成正比。功率表在电路中的接法如图3-35(b)所示，电流线圈串联在被测电路中，而电压线圈则与被测电路相并联。6.3.3.2 变频器电路中的功率表接法(1) 在变频器输出电路中的接法因为通往电动机的三相电流是对称的，所以，只需用两块单相功率表就可以测量三相电功率了，接法如图3-36(c)所示。(2) 在变频器输入电路中的接法变频器的输入侧是三相整流桥电路，如图3-36(a)所示。其外特性如图3-36(b)所示，输出电流从0增大到额定值in，直流电压将从峰值(537v)下降至平均值(513v)。由图知，在轻载的情况下，直流电压值不够稳定，容易随电流大小的变化而变化。而对于不同的直流电压值，进线电流的波形是不一样的，如图3-36(c)和(d)所示。图3-36(c)是负载较轻、电流较小时的情形，这时，直流电压较高，电流波形开始得较晚;图3-36(d)是负载较重、电流较大时的情形，这时，直流电压较低，电流波形开始得较早。图3-36 变频器输入电流波形由此可见，变频器的三相输入电流常常是不平衡的。所以，在测量三相输入功率时，必须分别测量每相的功率，然后把三个表的测量结果相加，得到三相电功率，如图3-35(c)所示。3.7 传动机构常想到3.7.1 机械功率要传递电动机在带动负载运行时，在电动机的输出轴和负载的输入轴之间，必须通过传动机构进行联接，如图3-37所示。图3-37 常见的传动机构图(a)所示是联轴器传动，联轴器是把电动机和负载的轴直接相联，两者之间并无减速环节。常用于风机和水泵等负载。图(b)所示是皮带传动，有一定的减速比。皮带传动由于对联接的精度要求较低，故常用于种种机械的第一级传动。图(c)是齿轮传动，齿轮传动具有较大的减速比，主要用于对精度要求较高的传动系统中。3.7.2 传动前后功率齐3.7.2.1 传动比传动机构的输入轴和输出轴之间的转速比，称为传动比:(3-21)式中, 传动比;nm电动机的转速，通常是传动机构输入轴的转速，r/min;nl负载的转速，通常是传动机构输出轴的转速，r/min。由式(3-21)知:(3-22)根据输能量守恒的原则，有:(3-23)式(3-22)和式(3-23)说明，经过传动机构减速以后，负载侧的转速比电动机侧减小了倍，而负载侧所得到的转矩则比电动机侧增大了倍。3.7.2.2 转矩与转速的折算(1) 折算的必要性在分析电动机能否