摘要变频器在传动领域应用广泛。对如何正确选用变频器作了全面分析与介绍。包括了解变频器的逆变元件、拓扑电路， 变频器对拖动电机的控制方式、负载转矩特性等。在应用变频器时， 应考虑变频器的输入输出电流中含有谐波， 要选用相应的抑制谐波的配套设备。 硅晶闸管SCR 出现于1957 年， 现在生产的SCR，其耐压可达12 kV， 电流达3 . 5 kA， 正向压降2 V，开关频率200 Hz， 可制作高压大功率变频器， 价格便宜， 缺点是效率低、谐波大、噪音大。 可关断晶闸管GTO 出现于1960 年， 现耐压达9. 5 kV， 电流达2. 5 kA， 正向压降1 ～ 3 V， 开关频率400 Hz， 用于制作地铁、矿用高压大功率交- 交变频器， 缺点仍是谐波大、效率低。 高功率晶体管GTR 模块出现于1980 年， 目前正在被逐渐淘汰。 2． 2． 1 交- 直- 交电流源型变频器（CSI） 除上述控制方式外， 还出现了下列控制： 非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制。
4 根据负载特性选用变频器 电机转矩大小随负载各种条件而变化。但如果负载侧其它条件不变， 或者负载侧处于有效控制的状态下， 电机的转矩- 速度曲线， 根据其形状大体可分为3 类， 如图4 所示。 4． 1 恒转矩负载 负载具有恒转矩特性。例如起重机械之类的位能性负载需要电机提供与速度基本无关的恒定转矩- 转速特性， 即在不同转速时负载转矩不变。当然负载的转矩- 转速特性要随负载自身的变化而变化。例如， 若改变升降机提升货物的重量， 则对应不同负载重量有不同的转矩特性。对恒转矩负载进行调速时， 即使电机的转速下降或上升， 电动机输出恒定转矩。像这种转矩不随转速变化的调速方式称之为恒转矩调速。电动机在速度变化的动态过程中， 具有输出恒定转矩能力。在电动机加速或减速过程中， 为了缩短过渡过程的时间， 在电动机机械强度和电机温升等条件允许的范围内， 使电动机产生足够大的加速或制动转矩， 使电动机输出恒定的{zd0}转矩。 u / f 比恒定控制只能在一定调速范围内近似维持磁通为恒定， 在相同的转矩相位角的条件下， 如果能够控制电机的电流为恒定， 即可控制电机的转矩为恒定。 严格地说， 只有E / f 控制比为恒定才能控制电机的转矩为恒定（E 为电动机的电动势）。 由于电机低速时的温升对转矩有限制。如在低速区需要输出恒定转矩， 如输送带、起重机、台车、机床进给、挤压机， 可以采用矢控制方式达到在全速范围内恒定转矩控制。 4． 2 平方减转矩负载 以风机、泵类为代表的平方减转矩负载， 在低速下负载转矩非常小， 在此情况下变频器运转在温度、转矩方面都不存在问题， 只考虑在额定点变频器运转引起的损耗增大即可。一般厂家都生产有节能型变频器， 既经济又达到节能要求， 比调节挡板、阀门可节能40% ～ 50%。 还有， 不进行u / f 恒定控制， 而采用图5 通用变频器的u / f 模式（平方减转矩） 虚线所示的模式下降频率， 则电机效率提高， 可以得到更大的节能效果。 传动平方减转矩负载应注意的问题是， 速度提高到工频以上， 所需功率急剧增加， 有时超过电机、变频器的容量， 导致不能运转或过热， 所以不要轻易提高频率。 通常， 传动系统的额定点选为图4 中的A 点，但对于恒功率负载多选为B 点。此外， 这些曲线多数只表示正常状态下的特性， 但根据负载的种类， 有时加减速时的曲线与此不同， 所以要注意。 4． 3 恒功率负载 与恒转矩调速相类似， 恒功率调速亦包含以下两种含义。 4． 3． 1 负载具有恒功率的转矩- 转速特性 恒功率的转矩- 转速特性指的是负载在速度变化时需要电动机提供的功率为恒定， 下述类型的负载具有此特性： a . 同一台轧机， 在轧制小件时用高速轧制， 轧制大件时用低速轧制。因低速时轧制量大， 故需较大转矩。 b . 当车床以同一圆周速度加工不同直径的工件时， 假定车刀的切削力相等， 则工件直径小的转速高、转矩小， 直径大的转速低、转矩大。 c . 当卷绕机用同样的张力卷绕以同一速度出来的板材或线材时， 开始卷绕时的卷筒直径小， 用较小的转矩即可， 但转速较高。随着不断地卷绕，卷筒直径不断变大， 转矩随之变大， 转速相应变低。 d . 运输机械在运输重物时速度慢， 轻载时速度快。无论是高速还是低速， 所需动力不变。对上述负载进行调速时， 随着速度的变化， 电机应能满足负载的转矩要求。 4． 3． 2 电机具有输出恒功率能力 当电机的电压随着频率的增加而升高时， 若电机的电压已经达到电机的额定电压， 继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。为此， 在电机达到额定电压以后， 即使频率增加仍维持电机电压不变。这样电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定， 不随频率的变化而变化， 即具有恒功率特性。 使用恒转矩调速的电机驱动变转矩负载， 例如风机、水泵时， 速度变化到低速时电机所能输出的转矩仍有剩余， 因此恒转矩调速电机可以满足调速要求。但是恒转矩调速的电机驱动恒功率负载时， 低速转矩可能不能满足负载要求。 异步电动机变压变频调速时， 通常在基频以下采用恒转矩调速， 基频以上采用恒功率调速。 5 选择的配套设备应达到国家和国际标准
在实践应用中往往缺配套设备变频器无法投入运行， 或者损坏其它设备。主要是由于变频器输入输出电流都有谐波分量， 为此产生了一系列问题。根据配电系统情况， 按表5 配置的相应配套设备达到了国际和国家标准。 5． 1 相关的国际标准 为了限制变流装置对电力系统的谐波干扰， 有利于电力电子装置的推广应用， 世界各国都相继制定了相关标准， 以保证电网的供电质量。其中比较具xx性的是美国电气和电子工程师协会（IEEE） 制定并作为美国国家标准（ANSI） 的IEEE - 519。 IEEE - 519 在1981 年首次颁布《关于静态功率变换器的谐波控制和无功补偿的指南》（IEEE std. 519-1981）。1992 年经修订后又重新发布了《IEEE对电功率系统中谐波控制的要求和推荐标准》（IEEE std. 591-1992）。
该标准详细分析了波形畸变的原因及其影响； 确定了判别畸变程度的参量； 制定了对电力系统中波形畸变的限制； 介绍了波形畸变的分析方法和控制措施等， 对从事大功率变频调速系统开发和应用的工程技术人员具有指导性的作用。 IEEE 中用来判别波形畸变的最主要指标是畸变系数（或谐波系数） DF， 当n ＞ 1 时 分子表示所有谐波的均方根（rms） 值。另外，标准中常使用的两个指标为： a . THDu， 电压总谐波畸变变率， 是以正常基波电压的百分比表示的谐波电压总畸变值。实际上，对同一个电压波形而言， THDu = DF。 b . TDD （Total Demand Distortion）， 总指令值畸变， 是以{zd0}指令负载电流（15 或30 min 指令） 的百分比表示的谐波电流畸变。 表6 列出了IEEE 对公共供电点（PCC） 处电压畸变的限制要求。 表7 可用于正常运转条件下（连续运行1 h 以上） “最坏情况” 的系统设计。短期启动或非正常条件下， 限制值可超过50%。 另一方面， 从前面的分析我们已经知道， 一个非线性负载造成的畸变电压， 还与该负载的电流在电源阻抗上产生的压降大小有关， 即与负载容量的大小有关。为此引入参数Isc / IL， 表示在PCC 点上电源短路电流与{zd0}基波负载电流之比。IEEE 允许负载容量较小的用户引入供电点的谐波电流可以大一些， 这有利于合理分配用电和合理设计变流装置。表7 给出了不同Isc / IL值下对变流设备谐波的限制。 5． 2 我国国家标准 国标《交流电动机半导体变频调速装置总技术条件》（GB 12668 - 1990） 中规定， 电压稳态相对谐波含量的方均根值不超过10%， 其中任何奇次谐波均不超过5%， 任何偶次谐波均不超过2%， 短时（持续时间小于30 s） 出现的任一次谐波含量不超过10%。我国在1993 年对公用电网谐波电压（相电压）的限值和注入公共连接点的谐波电流允许值做出了规定， 参见《电能质量公用电网谐波》（GB / T 14549- 1993） 表1、表2， 本文不再赘述。 |
