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6小孙学变频第一讲 变频器的主电路（四）张燕宾4变频器的输出电压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。变频还须变压图1-31异步电动机的能量关系“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。接着说：“电动机输入的是三相电功率，计算公式是：（1-1）式中，P1电动机的输入功率，kW；UL电源线电压，V；IL电动机定子侧的线电流，A；cos1电动机定子侧的功率因数。式（1-1）表明，电动机输入电功率的大小和频率并无直接关系。另一方面，电动机输出的是机械功率，计算公式是：（1-2）式中，P2电动机轴上的输出功率，kW；TM电动机的电磁转矩，Nm；nM电动机的转速，r/min。式中的9550是单位换算的系数。就是说，当转矩的单位用Nm，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。图1-32磁化曲线与励磁电流（a）磁化曲线（b）磁路未饱和时（c）磁路饱和时“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。“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：要得到曲线所示的磁通，只需要很小的励磁电流，（如曲线所示）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：（1-3）式中，E1定子每相的反电动势，V；kE绕组系统；N1定子每相绕组的匝数；f电流的频率，Hz；1定子每个磁极下的基波磁通，Wb；KE常数，KE4.44kEN1。瞧，反电动势和频率与磁通的乘积成正比。稍为变换一下：（1-4）式中，K常数。式（1-4）告诉我们：如果能够保持反电动势E1与频率f之比不变，那么，磁通大小也就保持不变了。但是，反电动势是定子绕组切割自己产生的旋转磁场的结果，无法人为地控制其大小。考虑到定子绕组的电动势平衡方程是： （1-5）式中，U1施加于定子每相绕组的电源相电压，V；U1定子每相绕组的阻抗压降，V。式（1-5）中，阻抗压降U1在电压U1中所占比例很小，如果把U1忽略不计，则有：U1E1代入式（1-4），得： （1-6）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。图1-33脉宽调制（a）占空比较大（b）占空比较小（c）正弦脉宽调制“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：（1-7）式中，脉冲的占空比；tP脉冲的宽度，s；tC脉冲的周期，s。图1-34SPWM脉冲序列的产生（a）频率较高时（b）频率较低时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的。”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。图1-35双极性调制（a）载波与调制波（b）相电压（c）线电压“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。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。图1-36双极性调制工作特点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。”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？”图1-37不同频率时的电压波形（a）50Hz （b）25Hz （c）10Hz“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。载波频率的影响图1-38载波频率对输出电压的影响（a）双极性控制信号（b）死区（c）输出电压与载波“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：“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t。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？”图139载波频率对输出电流的影响（a）电路中的分布电容（b）输出电流与载波频率“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：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