變頻器的使用

第九章變頻器的使用交流變頻調(diào)速充分發(fā)揮了交流電動機結構簡單、價格低廉、堅固耐用、使用和維護方便等優(yōu)點，且其調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相比美，因此在各種機床、水泵、風機、各種生產(chǎn)機械和農(nóng)副產(chǎn)品加工設備中得到廣泛的使用。本單元主要介紹交流變頻調(diào)速的基本概念、控制規(guī)律和直流斬波器的工作原理，并以鍋爐風機節(jié)能控制為例對通用型變頻的選擇與安裝進行說明。第一節(jié)變頻調(diào)速基礎知識學習目標掌握交流變頻調(diào)速個中基本控制方式的含義和特點。掌握變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律。三相異步電動機變頻調(diào)速的控制方式有恒磁通控制方式、恒電流控制方式和恒功率控制方式三種。下面對三種控制方式進行逐一介紹。一、恒磁通控制方式在電動機調(diào)速時，都希望保持電動機中每極磁通量e為額定值不變。磁通太弱，電動m機的鐵心沒有得到充分利用，是一種浪費；若增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。對于直流電動機進行調(diào)速，由于勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應的補償合適，保持em的不變是很容易做到的。但在交流異步電動機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子的磁動勢合成產(chǎn)生的，比直流電動機的情況要復雜很多根據(jù)三相異步電動機定子繞組每相的感應電動勢有效值的公式E=4.44fNk①式中f1為定子頻率；N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)；em為每極氣隙磁通。根據(jù)上式可知，若要保持em不變，則當頻率f1從額定頻率f1n向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Eg，使Eg/f]=常數(shù)。在電動勢較高時可以忽略定子阻抗電壓降:則感應電動勢近似等于定子夕卜加電ffU1^Eg0因此，如果定子供電§電壓ul不變，只改變f1進行變頻調(diào)速，將引起氣隙磁通em的變化，出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過剩的現(xiàn)象。當頻率f1從額定值（通常為50Hz）往下降低，磁通會增加，造成磁路過飽和，使勵磁電流增加。這將使電動機帶負載能力降低，功率因數(shù)變壞，鐵損增加，電動機過熱這種情況是電動機實際運行所不允許的。反之，如果頻率f1從額定值往上升高，磁通將減少，同樣的轉(zhuǎn)子電流下將使電動機輸出轉(zhuǎn)矩Te下降，電動機的負載能力下降，使電動機的利用率降低，在一定的負載下有過電流的危險：為此通常要求磁通保持恒定，即em=常數(shù)。為了保持磁通①m恒定，由上式可知，必須使定子電壓和頻率的比值保持不變，即: mU1=Cf1在頻率變化過程中e始終保持恒定，所以稱為恒磁通控制方式，又由于電壓與頻率的比值也保持恒定不變，也稱為恒壓頻比控制方式，相當于直流電動機調(diào)壓調(diào)速的情況，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在保持e恒定的條件下，異步電動機的機械特性曲線如圖9—1所示。由圖可知，交流電動機的最大轉(zhuǎn)矩隨匕的降低而減小。當供電電源頻率較高時，電動機最大轉(zhuǎn)矩與額定頻率時的最大轉(zhuǎn)矩相似，機械特性曲線斜率也變化不大。當頻率較低時，最大轉(zhuǎn)矩和機械特性曲線的斜率就會出現(xiàn)較大的變化，這是由于定子繞組的內(nèi)阻引起的電壓降在低速時相對影響較大和氣隙磁通變化引起的。在低頻運行時，轉(zhuǎn)矩較小，帶負載的能力差，所以只適用于調(diào)速范圍不大或轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減少的負載，如風機、水泵等。如希望得到具有較大調(diào)速范圍，可以采用專門電路在低速時人為地適當提高定子電壓u「以補償定子阻抗壓降的影響，使磁通基本保持不變實現(xiàn)恒磁通恒轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速。這種具有壓降補償?shù)目刂铺匦匀鐖D9—2所示。圖9—1Ui/fi=常數(shù)時恒壓頻比控制 圖9—2恒壓頻比控制特性機械特性曲線 1一帶定子壓降補償 2一不帶定子壓降補償二、 恒電流控制方式恒流變頻調(diào)速控制方式就是要求在電動機變頻調(diào)速過程中定子電流L保持恒定。因此要求變頻電源是一種恒流源，電動機在變頻調(diào)速過程中始終保持定子電流為給定值，由于變頻器的電流被控制在給定的數(shù)值上，所以在換流時沒有瞬時的沖擊電流，調(diào)速系統(tǒng)的工作比較安全可靠，特性良好。恒流變頻系統(tǒng)與恒磁通變頻系統(tǒng)是相似的，同樣屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。但恒流變頻系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩Tm要比恒磁通變頻系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩小得多，故恒流變頻系統(tǒng)的過載能力比較小，只適用于負載變化不大的場合。三、 恒功率控制方式電動機工作在額定狀態(tài)下，4=fln且U]=u1n為了使電動機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，定子供電電源頻率fl由額定值fln向上增大。但定子電壓u1受額定電壓u1n的限制不能再升高只能保持U1=U1N不變。這樣一來，氣隙磁通就會小于額定磁通，導致轉(zhuǎn)矩的減小。而電動機的允許輸出功率保持近似不變，相當于直流電動機弱磁調(diào)速的情況，屬于近似恒功率調(diào)速，其機械特性如圖9—3所示。圖9—3恒功率機械特性在異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了得到寬的調(diào)速范圍，可以將恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速與恒功率調(diào)速結合起來使用。在電動機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(f]Wf1n)，采用恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速；在電動機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(匕3上)，采用只調(diào)頻不調(diào)壓的近似恒功率調(diào)速。綜合調(diào)速性質(zhì)為恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速。第二節(jié)變頻器的使用培訓目標能夠掌握變頻器的分類。能夠正確的使用變頻器。一、變頻器的分類通過對變頻調(diào)速控制方式的分析可知，實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速，需要一個具有電壓、頻率均可調(diào)的變頻裝置。變頻器就是將直流電或工頻交流電變換成頻率可調(diào)的交流電，供給需要變頻的負載。變頻器的分類⑴按供電電壓分為：低壓變頻器（110V、220V、380V）、中壓變頻器（500V、660V、1140V）和高壓變頻器（3KV、3.3KV、6KV、6.6KV、10KV）。⑵按供電電源的相數(shù)分為：單相輸入變頻器和三相輸入變頻器。⑶按變頻過程分為：交-交變頻器，即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱直接式變頻器。由于直接變頻器輸出的最高頻率較低，所以使用于頻率低、容量大的交流供電系統(tǒng)；交一直一交變頻器，則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率和電壓可調(diào)的交流，又稱間接式變頻器，是目前廣泛應用的通用型變頻器通用變頻器分類⑴按變頻器直流電源的性質(zhì)分為：電流型變頻器，其特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器能夠是能扼制負載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負載電流變化較大的場合；電壓型變頻器，其特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，負載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負載電壓變化較大的場合。⑵按變頻器輸出電壓調(diào)節(jié)方式分為:PAM輸出電壓調(diào)節(jié)方式變頻器和PWM輸出電壓調(diào)節(jié)方式變頻器。⑶按變頻器中逆變器的換流方式分為：負載諧振換流和強迫換流。⑷按變頻器控制方式分為：U/f控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式。⑸按變頻器中使用的電力電子器件分為：普通晶閘管和自關斷功率器件。⑹按變頻器的性能分為：普通型、多功能型和高性能型。二、通用變頻器的應用實例變頻器的選擇通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現(xiàn)工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的多功能型U/f控制變頻器（也稱無跳閘變頻器）和矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速下負載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。對于恒轉(zhuǎn)矩類負載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求的機械，采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的多功能型變頻器則是比較理想的。因為這種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性。也有采用普通功能型變頻器的例子。為了實現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大變頻器容量的辦法。對于要求精度高、動態(tài)性能好、響應快的生產(chǎn)機械（如造紙機械、軋鋼機等），應采用矢量控制高性能型通用變頻器。大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可驅(qū)動電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。通用變頻器在鍋爐風機節(jié)能控制上的應用實例目前絕大多數(shù)燃燒控制系統(tǒng)中風量調(diào)節(jié)都是通過調(diào)節(jié)風門擋板實現(xiàn)的，這種風量調(diào)節(jié)方式不但使風機的效率降低，也使很多能量白白消耗在擋板上。如果在鍋爐的送風機和引風機上采用變頻器進行無級調(diào)速，可以節(jié)約能量、提高鍋爐燃燒控制水平、增加經(jīng)濟效益。本節(jié)以三菱FRF540型通用變頻器在鍋爐風機節(jié)能控制上的應用為例進行介紹。⑴三菱FRF540型通用變頻器概述。FRF540型通用變頻器是三菱公司生產(chǎn)的風機、水泵類專用變頻器，功率從0.75KW到900KW。內(nèi)置RS-485、PID功能，可通過選件實現(xiàn)制動等其它功能。⑵特點FRF540變頻器是一種交一直一交型變頻器。其主電路使用二極管整流電路將輸入的三相交流電變換為直流電，使用電容進行濾波，所以它是一種電壓型變頻器。逆變器采用脈寬調(diào)制方式進行變頻，并在變頻的同時可進行變壓。該變頻器具有如下優(yōu)點：1） 采用最適磁通控制方式，可實現(xiàn)更高節(jié)能運行和使電機效率得到最大幅度的提高。2） 輸出頻率調(diào)節(jié)范圍從0?120Hz。3） 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍可以從0V一直調(diào)到主電源電壓。4） 內(nèi)置PID，變頻器/工頻切換和多泵循環(huán)運行功能。5） 柔性PWM，實現(xiàn)更低噪音運行。6） 內(nèi)置RS485通信口。7） 75KW以上隨機帶DC電抗器。⑶FRF540型變頻器的接線。FRF540型變頻器接線圖，如圖9—4所示。1）主回路端子說明。主回路各端子名稱和作用，見表9—1所示。表9—1 主回路端子名稱和作用端子記號端子名稱說明R、S、T交流電源輸入連接工頻電源。U、V、W變頻器輸出接三相鼠籠電機。R1、S1控制回路電源與交流電源端子R、Sl連接。P、N連接制動單元連接制動單元、電源再生單元或高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器。P、P1連接改善功率因數(shù)DC電抗器拆開端子P—P1間的短路片，連接改善功率因數(shù)用電抗器。PR、PX廠家設定用端子，不進行接線接地變頻器外殼接地，必須接大地。2）控制回路端子說明。控制回路各端子名稱和作用，見表9—2所示。表9—2 控制回路端子名稱和作用類型端子記號端子名稱說明輸入信號啟動接點，功能設定STF正轉(zhuǎn)啟動信號處于ON正轉(zhuǎn)，處于OFF停止當兩個信號同時為ON時，相當于輸出停止指令。STR反轉(zhuǎn)啟動信號處于ON反轉(zhuǎn)，處于OFF停止STOP啟動自保持選擇信號為ON時，可以選擇啟動自保持RH、RM、RL多段速度選擇用RH、RM、RL信號組合可以實現(xiàn)多段速度JOG點動模式選擇信號為ON時，選擇電動運行RT第二加/減速時間選擇信號為ON時，選擇第二加/減速時間MRS輸出停止信號為ON（20ms以上）時，變頻器停止輸出RES復位用于解除保護回路動作的保持狀態(tài)AU電源輸入選擇信號ON時，變頻器才可以用4—20mA作為頻率設定信號CS瞬間停電在啟動選擇信號為ON時，瞬時停電再恢復時變頻器可自動啟動SO公共輸入端子接點輸入端子和直流24V電源的輸出公共端

PC直流24V電源和外部晶體管公共端當連接晶體管輸出時，將晶體管輸出用的外部電源公共端接到這個端子時，可防止因漏電而引起的誤動作模擬頻率設定10E頻率設定用電源直流10V，允許負荷電流10mA10直流5V，允許負荷電流10mA2頻率設定（電壓）輸入直流0?5V或0?10V時，5V或10V對應最大輸出頻率，輸入輸出成比例4頻率設定（電流）直流4?20mA，20mA為最大輸出頻率，輸入輸出成比例1輔助頻率設定輸入直流0?±5V或0?±10V時，端子2或4的頻率設定信號與這個信號相加5頻率設定公共端頻率設定信號和模擬輸出端子的公共端子，不能接地⑥主回路i好C）控制回路輜鴻于?控制回酬出IX子正轉(zhuǎn)啟動（-，SIF；盡轉(zhuǎn)啟動C；⑥主回路i好C）控制回路輜鴻于?控制回酬出IX子正轉(zhuǎn)啟動（-，SIF；盡轉(zhuǎn)啟動C；啟動自保持選擇（)STQP i高速1卜:宿眺迎度選擇H中速C?RN:」碰〔RL:點動模式C第二加/X理時間透梯匚沖■前出停止t)HRS ；s<a(?RES ；電流輸A枷Cr:信時掉也再啟動選擇C)GS ；，漏型輜K公能舉；4ISO h注：端于PR,P；（是廠家侵定用端子.iff不要接倒可東瓦報誓偵出RUNSUIFFQLFUSE運行貌累達到劇時停電近角荷原隼橙焉:'患電機開路輔出I'，,公牡學；集電根開路俺出控制回路俺入信號：無電源輸？0iaE(+ithO1Q'：45V：i'DC0~5V虹』2^DCO-IDV切換J5(槌擬信母公共草)伽Q-I5Y鯨、1i.DCO-I1DVV1?Iq?}C4~2ftnA}指示怛寰牛典率表;圖9—4FRF540型變頻器接線圖⑶FRF540型變頻器的操作面板。FRF540型變頻器的操作面板如圖9—5所示。.V■um ,EXT,PU.V■um ,EXT,PU 單位指示'H—翔率）'A：電流）'V：i［jJT）［模式］鍵［停止■■重位］鍵圖9—5FRF540型變頻器的操作面板FRF540型變頻器的操作面板上各按鍵名稱和作用見表9—3所示，各顯示信號的說明見表9—4。表9—3 FRF540型變頻器的操作面板上各按鍵名稱和作用按鍵說明MODE可用于選擇操作模式或設定模式SET用于確定頻率和參數(shù)的設定UP/DOWN用于連續(xù)增加/降低運行頻率，按下這個鍵可改變頻率或設定參數(shù)FWD用于給出正轉(zhuǎn)指令REV用于輸出反轉(zhuǎn)指令STOP/RESET用于停止運行或保護功能動作輸出停止時復位變頻器表9—4 顯示信號的說明顯示說明顯示說明Hz顯示頻率時點亮PUPU操作時點亮A顯示電流時點亮EXT外部操作模式時點亮V顯示電壓時點亮FWD正轉(zhuǎn)時閃爍MON監(jiān)視顯示模式時點亮REV反轉(zhuǎn)時閃爍⑷變頻器風機節(jié)能控制1）系統(tǒng)主電路在鍋爐風機控制系統(tǒng)中有兩臺電動機，一臺鼓風機，另一臺鼓風機備用，當鼓風機出現(xiàn)故障或需要定期檢修時，備用鼓風機馬上投入，不使鍋爐停爐。兩臺鼓風機均由變頻器驅(qū)動，并且當變頻器出現(xiàn)故障時，可自動實現(xiàn)變頻/工頻切換。主電路圖如圖9—6所示。圖9—6鍋爐風機控制系統(tǒng)主電路圖中，M1為鼓風電動機；M2為備用鼓風電動機；QA為自動開關；KMl、KM2、KM3、KM4均為接觸器；其中KMl與KM3用于切換備用泵；KM2與KM4用于進行變頻/工頻切換。FRl、FR2為熱繼電器。2）變頻器的運行面板操作轉(zhuǎn)換為外部操作。設置Pr.79=0（出廠設定），按MODE鍵，到面板顯示JOG時，按上升鍵，出現(xiàn)OP.nd時，Pu燈熄滅，EXT燈亮，表明切換成功，再按MODE鍵，面板上顯示0.00Hz時，MON燈亮，這時已返回頻率監(jiān)視狀態(tài)。頻率設定方式選擇。Pr.902=1為電壓設定方式此時，在控制端口2端接入0?5V的直流電壓，可以使電動機在0?60Hz頻率范圍內(nèi)工作。出廠設置為0V、0Hz。Pr.904=1為電流設定方式此時，在控制端口2接入0?20mA的直流電流，可以使電動機在0?60Hz頻率范圍內(nèi)工作。出廠設置為4mA、0Hz。調(diào)試步驟最常見和最嚴重的故障往往出現(xiàn)在調(diào)試過程中。所以調(diào)試時應謹慎細心.⑴檢查接線是否正確。安裝接線時，人多手雜，現(xiàn)場情況復雜，特別是當接線工作不是由調(diào)試者做的時候，一定要仔細檢查接線是否正確，留意變頓器輸出端不能接電容、電感等除電機外的其他負載.⑵不帶負載，啟動變頻器，設定運行參數(shù)，加減速時間可選經(jīng)驗值。⑶將變頻器設定在手動和面板控制狀態(tài)。啟動變頻器，逐漸加大運行頻率.⑷接上負載，啟動變頻器，將變頻器運行在10Hz，觀察電機轉(zhuǎn)向是否正確。若不對，則停止運行后，掉換電機接線的相序。⑸讓變頻器從零逐漸增大到最大轉(zhuǎn)速，確認變頻器與電機配合是否恰當。注意，不允許變頻器電流超過電機額定電流值。⑹停止變頻器運行，將變頻器設置為電壓顯示模式。觀察變頻器減速過程中是否出現(xiàn)直流過壓。如出現(xiàn)，則加大減速時間。若減速時電流較小，則可縮短減速時問參數(shù)。⑺將變頻器設置為電壓顯示模式。設定最大運行頻率，啟動變頻器，觀察加速過程中的輸出電流。若出現(xiàn)電流過大，則需延長加速時間參數(shù)，若加速時電流較小，則可縮短加速時間參數(shù)。⑻將變頻器設定在自動控制狀態(tài)，鎖定變頻器運行參數(shù)，系統(tǒng)即調(diào)試完畢。變頻器使用的注意事項1） 工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為0?55°C，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40^以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。2） 環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。3） 腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能，在這種情況下，應把控制箱制成封閉式結構，并進行換氣。4） 振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關之類產(chǎn)生振動的元器件。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。5） 防止電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應該選用具有金屬外殼的，屏蔽變頻器的干擾，所有的弱電單元均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導致控制單元失靈或損壞。6） 防止輸入端過電壓。變頻器電源輸入端往往有過電壓保護，但是，如果輸入端高電壓作用時間長，會使變頻器輸入端損壞。因此，在實際運用中，要核實變頻器的輸入電壓、單相還是三相和變頻器使用額定電壓。特別是電源電壓極不穩(wěn)定時要有穩(wěn)壓設備，否則會造成嚴重后果。7） 接地。變頻器正確接地是提高控制系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段，變頻器接地端子E（G）接地電阻越小越好，接地導線截面積應不小于2mm2,長度應控制在20m以內(nèi)。變頻器的接地必須與動力設備接地點分開，不能共地。信號輸入線的屏蔽層，應接至E（G）上，其另一端絕不能接于地端，否則會引起信號變化波動，使系統(tǒng)振蕩不止。變頻器與控制柜之間應電氣連通，如果實際安裝有困難，可利用銅芯導線跨接。8） 防雷，在變頻器中，一般都設有雷電吸收網(wǎng)絡，主要防止瞬間的雷電侵入，使變頻器損壞。但在實際工作中，特別是電源線架空引入的情況下，單靠變頻器的吸收網(wǎng)絡是不能滿足要求的。在雷電活躍地區(qū)，這一問題尤為重要，如果電源是架空進線，在進線處裝設變頻專用避雷器（選件），或有按規(guī)范要求在離變頻器20m的遠處預埋鋼管做專用接地保護。如果電源是電纜引入，則應做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入破壞設備。實踐表明，這一方法基本上能夠有效解決雷擊問題。第三節(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)從變頻調(diào)速的控制方式可知，要實現(xiàn)交流電動機的變頻調(diào)速，除了需有一臺合適的變頻器之外，還需有一套能按一定控制規(guī)律對變頻器實行控制的控制環(huán)節(jié)，由控制電路和變頻器一起，組成一個變頻調(diào)速系統(tǒng)。下面將對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律進行簡要介紹。一、變頻調(diào)速系統(tǒng)中輸出電壓的調(diào)節(jié)方式在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，交流電動機由逆變器供電運轉(zhuǎn)。根據(jù)變頻調(diào)速控制方式可知，一般要求逆變器輸出電壓u1與輸出頻率匕的比值大體為一定值，即保持電動機的磁通不變，從而使變頻調(diào)速時電動機的最大轉(zhuǎn)矩基本不變。對輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有兩種方式，即脈沖幅度調(diào)制PAM方式與脈沖寬度調(diào)制PWM方式。1.PAM控制方式。PAM控制方式是由相控晶閘管整流器或直流斬波器改變直流電壓的幅值進行調(diào)壓的方式，從而實現(xiàn)對變頻器輸出電壓調(diào)節(jié)，而變頻器中的逆變電路只負責調(diào)節(jié)輸出頻率，因此屬于同步調(diào)速方式。平滑直流電源是由于濾波電路使用直流電抗器和大容量電解電容實現(xiàn)的。當濾波電路使用大電容時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻為零的恒壓源，采用恒壓源的變頻器稱為電壓源變頻器；而當濾波電路使用直流電抗器時，直流電壓波形也比較平直，對負載來說基本上是一個恒流源，采用恒流源的變頻器稱為恒流源變頻器。PAM控制方式由于控制回路簡單，易于大容量化，長期以來占主流地位。但其缺點是由于有大容量電容，電壓控制響應慢，不適于要求加、減速快的系統(tǒng)。另外，由于采用變流器的相位控制來調(diào)節(jié)電壓，交流輸入側的功率因數(shù)變壞，特別是在電壓低的范圍內(nèi)尤為嚴重。為了改善功率因數(shù)，可采取將交流電源以二極管整流橋進行全波整流，在直流側采用斬波器調(diào)節(jié)電壓的方法，這時輸入功率因數(shù)將變得相當好。2.PWM控制方式PWM控制方式保證輸出電壓的幅值不變的情況下，通過改變其時間寬度來調(diào)節(jié)平均電壓的大小。變頻器中整流器使用不可控二極管整流電路，變頻器的輸出電壓和輸出頻率的調(diào)節(jié)均由逆變器按PWM方式完成為脈寬調(diào)制。變頻器的輸出頻率不等于逆變電路換流器件的開關頻率，因此它屬于異步調(diào)速方式。PWM控制方式的控制電路中使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關而接近于1，可控的功率開關器件少，簡化了結構。由于逆變器本身同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務，因此與中間濾波環(huán)節(jié)無關，變頻器的動態(tài)響應速度快。輸出電壓的諧波分量極大地減小，能抑制或消除偶次諧波，實現(xiàn)近似正弦波的輸出流電壓波形。二、U/f比例控制方式采用U/f比例控制時，異步電動機在不同頻率下都能獲得較硬的機械特性線性段。在生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求不高如風機、水泵等的節(jié)能調(diào)速，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂葡到y(tǒng)，該控制系統(tǒng)結構最簡單，成本也比較低。這種系統(tǒng)的結構原理圖如圖9—7所示。圖中所示的調(diào)速系統(tǒng)由給定積分器GI、絕對值變換器GAB、電壓控制環(huán)節(jié)、頻率控制環(huán)節(jié)、可控整流器UR、電壓源逆變器VSI等組成。給定積分器將階躍信號uw轉(zhuǎn)換成按設定斜率逐漸變化的正、反向控制信號。自，以防止產(chǎn)生很大的沖擊電流，使電壓和轉(zhuǎn)速都能平緩的升高和降低。由于正、反向控制信號Ug有正負兩種情況，而改變電動機轉(zhuǎn)向只需改變變頻器輸出電壓的相序，不需要在電壓和頻率的控制信號上反映極性，所以設置了絕對值變換器GAB將Ug信號轉(zhuǎn)換成只輸出絕對值的控制信號uk。 s電壓控制環(huán)節(jié)是用來控制可控整流器UR直流輸出電壓的。電壓控制環(huán)節(jié)一般采用電壓、電流雙閉環(huán)結構，電流調(diào)節(jié)器ACR為內(nèi)環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器AVR為外環(huán)。電流調(diào)節(jié)器ACR可以限制動態(tài)電流并兼起保護作用。電壓調(diào)節(jié)器AVR是用來控制變頻器的輸出電壓的。控制電壓信號UK經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器GF相對提高為UV用以補償定子阻抗的壓降，改善低速時的機械特性，提高帶負載的能力。電壓型逆變器VSI的輸出頻率由頻率控制環(huán)節(jié)來進行控制。頻率控制環(huán)節(jié)一般由壓頻變換器GVF、環(huán)形分配器DRC和脈沖放大器AP等組成。壓頻變換器GVF是一個由電壓控制的振蕩器，其作用是將控制信號UK變換為所需頻率的脈沖列，再通過環(huán)形分配器DRC和脈沖放大器AP，為逆變器工作提供脈沖信號。在可逆系統(tǒng)中采用可逆計數(shù)器，由Ug經(jīng)極性鑒別器DPI獲得正、反向信號來控制加、減法。每次做“加l”或“減l”運算來改變相序從而改變電動機的轉(zhuǎn)向。在交流一直流一交流電壓型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)中，由于中間直流回路存在大濾波電容Cd，電壓的實際變化很緩慢，而頻率控制環(huán)節(jié)的響應是很快的，所以在壓頻變換器前面加設一個頻率給定動態(tài)校正器GFC，讓頻率的變化也慢些，希望與電壓在動態(tài)過程中一致起來。

GFC的具體參數(shù)可在調(diào)試中確定。圖9—7轉(zhuǎn)速開環(huán)的U/f比例控制異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)1—頻率控制環(huán)節(jié)2—電壓控制環(huán)節(jié)三、轉(zhuǎn)差頻率控制方式1.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念直流電動機的轉(zhuǎn)矩與電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩，問題比較簡單。因此在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號實際上就代表了轉(zhuǎn)矩給定信號。根據(jù)異步電動機的轉(zhuǎn)矩公式式中Cm為電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，④m為氣隙磁通，I2為轉(zhuǎn)子電流，cos?2為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)?？梢钥闯?，在交流異步電動機中，影響轉(zhuǎn)矩的因素很多。而這些量又都和轉(zhuǎn)速有關，所以控制交流異步電動機轉(zhuǎn)矩問題就比較復雜了。當電動機穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)差率s很小，因而轉(zhuǎn)差角頻率3s=s31也很小，可得到轉(zhuǎn)矩的OT"m①近似公式為： 穴2式中Km為轉(zhuǎn)矩系數(shù)、R2為轉(zhuǎn)子電阻，上式表明，在s很小的范圍內(nèi)，只要能夠維持①m不變，異步電動機的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率3s成正比。這就是說在異步電動機中控制3s就和直流電動機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的?？刂妻D(zhuǎn)差頻率就代表了控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律在恒磁通條件下的機械特性曲線如圖9—8所示。圖中3sm、Tem為限幅值。由圖可知，當3s較小時，轉(zhuǎn)矩Te基本上與3s成正比，當3s=3smax時，，Te=Temax。所以在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給3「艮幅就可以基本保持Te與3s成正比關系：也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代表轉(zhuǎn)矩控制。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一。

^sm(jOsmaK^sm(jOsmaK圖9—8恒磁通條件下Te=f(3s)特性TOC\o"1-5"\h\z上述的規(guī)律是在保持④m恒定的前提條件下成立的，如何才能保持①m恒定可以從分析磁通與電流的關系來著手解決。 m當忽略飽和與鐵損時，氣隙磁通①m與勵磁電流I0成正比，而勵磁電流相量I0是由定、轉(zhuǎn)子電流的向量I］、I2之差，即： mI=I+I1 2 0I0是定子電流I1的一部分。在籠型異步電動機中，折合到定子的轉(zhuǎn)子電流I2是難以直接測量的，于是只能根據(jù)負載變化調(diào)節(jié)I1來維持I0不變。根據(jù)異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路可知當④m或I0不變時，I1隨轉(zhuǎn)差頻率3變化的規(guī)律如圖9—9所示。圖9—9恒磁通條件下I1=f(3s)特性只要I1與3s的關系符合上圖的規(guī)律，就能保持①m恒定。這樣，用轉(zhuǎn)差頻率控制代表轉(zhuǎn)矩控制的前提也就解決了。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之二。實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)結構原理圖如圖9—10所示。轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的特點采用電流型變頻器，使控制對象具有較好的動態(tài)響應，而且便于回饋制動，實現(xiàn)四象限運行。這是提高系統(tǒng)動態(tài)性能的基礎。和直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是轉(zhuǎn)差頻率給定值U*，代表轉(zhuǎn)矩給定。3S轉(zhuǎn)差頻率3分兩路分別作用在可控整流器UR和逆變器CSI上。前者通過I］=f(3)函數(shù)發(fā)生器GF，按U*的大小產(chǎn)生相應的U*.］信號，再通過電流調(diào)節(jié)器ACR控制定子電流，以保持④為恒值。另一路按3+3=3］的規(guī)律產(chǎn)生對應于定子頻率3］的控制電壓U1，決定逆變器的輸出頻率。這樣就形成了在轉(zhuǎn)速外環(huán)內(nèi)的電流一頻率協(xié)調(diào)控制。 3轉(zhuǎn)速給定信號U*反向時，U*、U*、U"都反向。用極性鑒別器。?1判斷U"的極3 3s 3 31 31性以決定環(huán)形分配器DRC的輸出相序，而U*］信號本身則經(jīng)過絕對值變換器GAB決定輸出頻率的高低。這樣就很方便地實現(xiàn)了可逆運行3圖9-10轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)結構原理圖轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點與不足轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點。轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點就在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入是轉(zhuǎn)差信號，而頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號與實際轉(zhuǎn)速信號相加后得到的，即U^1=U^+O's。這樣在轉(zhuǎn)速變化過程中，實際頻柯1隨著實際轉(zhuǎn)速n同步的上升或下降。與轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)中按電壓成正比地直接產(chǎn)生頻率給定信號相比，加、減速更為平滑，且容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。同時由于在動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)能夠以限幅轉(zhuǎn)矩進行控制也保證了在允許條件下的快速性。因此轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)基本上具備了直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，是一個比較好的控制方式，結構也不算復雜，有廣泛的應用價值。轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的不足如果仔細分析轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能，就會發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)還不能完全達到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平。存在差距的原因有以下幾個方面：1)在分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時，我們是從異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此所得到的“保持磁通④m恒定”的結論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立。在動態(tài)中④m如何變化還沒有去研究，但肯定不會恒定，這不得不影響系統(tǒng)的實際動態(tài)性能。m2)電流調(diào)節(jié)器ACR只控制了定子電流的幅值，并沒有控制到電流的相位，而在動態(tài)中電流相位如果不能及時趕上去，將會使動態(tài)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)時間延長。I]=f(3s)函數(shù)是非線性的，采用模擬的運算放大器時，只能按分段線性化方式來實現(xiàn)，而且分段還不能很細，否則會造成調(diào)試的困難。因此，在函數(shù)發(fā)生器這個環(huán)節(jié)上還存在一定的誤差。在頻率控制環(huán)節(jié)中，取3廣3s+3使頻率勺得以和轉(zhuǎn)速同步升降，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點。然而，如果轉(zhuǎn)速檢測信號不準確或存在干擾的成分，例如測速發(fā)電機的紋波等，也會直接給頻率造成誤差，因為所有這些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減地傳遞到頻率控制信號上來了。鑒于基本型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)存在的上述問題，許多學者提出了各種改進方案，最突出最具有革命性的方案當屬矢量控制系統(tǒng)，它從本質(zhì)上解決了上述的多數(shù)問題，為高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)打開了突破性的道路。四、矢量控制方式由于轉(zhuǎn)差頻率控制方式引入了速度反饋，因此其性能優(yōu)于開環(huán)的U/f比例控制方式，可以適用于對速度和精度有較高要求的調(diào)速系統(tǒng)。但由于轉(zhuǎn)差頻率控制的基本關系是根據(jù)穩(wěn)態(tài)機械特性推導出來的，沒有考慮到電動機電磁慣性的影響，所以其動態(tài)性能仍不夠理想。矢量控制的基本思想是模仿直流電動機的控制方式，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標變換，就能夠控制異步電動機了。進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這種通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量變換控制系統(tǒng)，或稱矢量控制系統(tǒng)。針對異步電動機，從矢量分析的角度分析，可以把定子電流分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（磁場電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流），這兩個分量是互相垂直的。所以，通過控制電動機定子電流的大小和相位（即對定子電流的電流矢量進行控制），就可以分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。當前，在變頻器中得到實際應用的矢量控制方式包括轉(zhuǎn)差型矢量控制方式和無速度檢測器的矢量控制方式兩種，下面對這兩種控制方式進行間要的介紹。1.轉(zhuǎn)差型矢量控制方式。矢量控制的基本原理是通過控制電動機定子電流的幅值和相位（即電流矢量），來分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩特性的目的。轉(zhuǎn)差型矢量控制方式調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖，如圖9-11所示。其原理圖是在圖9-10轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)結構原理圖的的基礎上，把從穩(wěn)態(tài)特性出發(fā)的T-e3S和11=f（3S），函數(shù)關系換成從動態(tài)數(shù)學模型出發(fā)的矢量控制器。就得到轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的大部分不足，從而大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。這個系統(tǒng)的主要特點如下：（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是定子電流轉(zhuǎn)矩分量的給定信號，與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流給定信號相當。（2） 定子電流勵磁分量給定信號U*.1和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號U*皿之間的關系是靠矢量控制方程建立的，其中的比例微分環(huán)節(jié)使i'：在動態(tài)中獲得強迫勵磁效應，從而克服實際磁通的滯后。 "（3） U*.t0口U*.1經(jīng)直角坐標/極坐標（K/P）變換器合成后產(chǎn)生定子電流幅值給定信號U*.1和相角給定信號U%。前者經(jīng)電流調(diào)節(jié)器ACR控制定子電流的大小，后者則控制逆變器換相