由于通用变频器一般采用U/F(变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定,即基准电压/基准频率=压频比)控制,即采用变压变频(VVVF)方式调速,因此,变频器在使用前正确地设置压频比,对保证变频器的正常工作至关重要。
U/F是指变频器运行时,变频器输出电压和输出频率之比,它是变频器最常用最简单的控制方式。U与F的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性,可以用变频器的内部设定参数进行选择。
保持U/F比恒定控制是异步电机变频调速的最基本的控制方式,它在控制变频器输出电源频率变化的同时控制变频器输出的电压,并使二者之比U/F为恒定,从而使电机的磁通保持恒定。在电机额定运行情况下,电机的定子电阻和漏抗的电压降比较小,电机的端电压和电机的感应电势近似相等。
U/F比恒定控制存在的主要问题是低速性能较差,其原因是低速时异步电机定子电阻电压降所占比例变大,已不能忽略,不能再认为电机定子电压和电机感应电势近似相等,仍按U/F比一定控制已不能保持电机磁通恒定。电机磁通的减小必然造成电机的电磁转矩减小;另外变频器功率器件的死区时间也是影响电机低速性能的重要原因,死区时间造成电压下降同时还会引起转矩脉动,在一定条件下还会引起转速、电流的振荡。
U/F比恒定控制常用于通用变频器上。这类变频器主要用于风机、水泵的调速功能,以及对调速范围要求不高的场合。U/F比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。
6.1.2 基频参数设置
变频器基频参数的示意图如图6-1所示,基频以下,变频器的输出电压随输出频率的变化而变化,U/F=常数,适合恒转矩负载特性。基频以上,变频器的输出电压维持电源额定电压不变,适合恒功率负载特性。
基频参数设置应该以负载的额定参数设置,而不能根据负载特性设置,若负载为电动机即使电动机选型不适合负载特性,也必须尽量遵循电动机的参数,否则,电动机容易过流或过载。例如:电动机的额定工作频率为50Hz,基频应设置为50Hz;如果电动机的额定工作频率为60Hz,基频应设置为60Hz;如果电动机的额定工作频率为100Hz,基频应设置为100Hz。
如果电动机选择专用的交流变频电动机,电动机一般都标注恒转矩、恒功率调速范围。如果标注5~100Hz为恒转矩,100~150Hz为恒功率,基频应该设置为100Hz。
基频参数直接反映变频器输出电压和输出频率的关系,如果设置不当容易造成负载的过流或过载。例如一台交流电动机的额定工作频率为50Hz,额定电压380V。如果变频器的基频设置低于50Hz,如图6-2中的基频1,U/F比例高,同等频率的输出电压高,输出电流高,在启动时,容易造成过流。如果变频器的基频设置高于50Hz,如图6-3中的基频2,U/F比例低,同等频率的输出电压低,输出电流低,在启动时,容易造成无法启动而过载。
如果负载在低速时的转矩较大,而转矩补偿(U/F比)预置得较小,则低速时带不动负载。反之,如果负载在低速时的转矩较轻而转矩补偿(U/F比)预置得较大,则补偿过分,低速时电动机的磁路将饱和,励磁电流发生畸变,严重时会因励磁电流峰值过高而导致“过电流”跳闸。
调试时,U/F比的预置宜由小逐渐加大,每加大一档,观察在最低频时能否带得动负载,还应观察空载时会不会跳闸。一直调整到在最低频率下运行时,既能带得动负载,又不会空载跳闸时为止。
6.1.3 基频设置的注意事项
U/F类型的选择包括最高频率、基本频率和转矩类型等。最高频率是变频器、电动机可以运行的最高频率。由于变频器自身的最高频率可能较高,当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时,应按电动机及其负载的要求进行设置。
基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线,应按电动机的额定电压设置。转矩类型指的是负载是恒转矩负载还是变转矩负载。应根据变频器使用说明书中的U/F类型图和负载的特点,选择其中的一种类型。如恒转矩负载,即速度变化转矩恒定,如运输机械类,U/F曲线应设置为恒定特性。若变转矩负载,如泵、通风机等负载,U/F应设置成平方律递减特性(转矩以速度的平方变化的负载)。例如根据电动机的实际情况和实际要求,将最高频率设置为83.4Hz,基本频率设置为工频50Hz。负载类型:50Hz以下为恒转矩负载,50~83.4Hz为恒功率负载。
基准电压与基准频率参数的设置,不仅与电动机的额定电压与额定频率有关(电动机的压频比为电动机的额定电压与额定频率之比),而且还必须考虑负载的机械特性。对于普通异步电动机在一般调速应用时,其基准电压与基准频率按出厂值设置(基准电压380V,基准频率50Hz),即能满足使用要求。但对于某些行业使用较特殊的电动机,就必须根据实际情况重新设置基准电压与基准频率的参数。
电动机采用变频器调速时有两种情况:基频(基准频率)以下调速和基频以上调速。在压频比设置时必须考虑的重要因素是:尽量保持电动机主磁通为额定值不变。如果磁通过弱(电压过低),电动机铁心不能得到充分利用,电磁转矩变小,带负载能力下降。如果磁通过强(电压过高),电动机处于过励磁状态,电动机因励磁电流过大而严重发热。
(1)基频以下调速
为了充分利用铁心材料,一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱,没有充分利用,造成浪费。磁通过大又会使铁心饱和,则励磁电流剧增,绕组过分发热,功率因数降低,甚至损坏电机。所以在调频时希望能保持磁通恒定。即实现恒磁通变频调速,这样,调速时才能保持电机的最大转矩不变。对于他励直流电机,因励磁系统是独立的,只要对电枢反应的补偿合适,保持Φm不变很容易做到。对于三相异步电机,定子每相电动势的有效值是:
式中:N1为定子每相绕组串联匝数;KN1为基波绕组系数;Φm为每极气隙磁通,Wb;Eg为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值,V;F1为定子电源频率,Hz。
由此可得:
上式表明,为了保持Φm不变,在改变电源频率f1的同时,必须按比例改变感应电动势Eg,才能有效地利用铁心。在一定调速范围内维持磁通恒定,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,称为恒转矩控制,即电机在速度变化的动态过程中,具有输出恒定转矩的能力。由于恒定U1/F1控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定,因此恒定U1/F1控制属于恒转矩控制。要保持Φm不变,当频率F1变化时,必须同时改变电动势Eg的大小,使Eg/F1=常值,即采用恒定电动势与频率比的控制方式(恒定Eg/F1控制)。因电机定子电压为
U1=Eg+(r1+jx1)I1
式中:U1为定子电压,r1为定子电阻,x1为定子漏磁电抗,I1为定子电流。
如果在电压、频率协调控制中,适当地提高电压U1,使它在克服定子阻抗压降以后,能维持Eg/F1为恒值,则无论频率高低,每极磁通Φm均为常值,就可实现恒定Eg/F1控制。
由于电机的感应电势检测和控制比较困难,恒定Eg/F1控制的稳态性能优于下面讲的恒定U1/F1控制,它正是恒定U1/F1控制中补偿定子压降所追求的目标。在电机正常运行时,由于电机定子电阻r1和定子漏磁电抗x1的压降较小,可以忽略,则电机定子电压U1与定子感应电动Eg近似相等,即:U1≈Eg,则得U1/F1=常值,因此可以通过控制U1/F1恒定,以保持气隙磁通基本恒定。恒定U1/F1控制是异步电机变频调速的最基本控制方式,它在控制电机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压,并使二者之比U1/F1为恒定,从而使电机的磁通基本保持恒定。
恒定U1/F1控制的出发点是电机的稳态数学模型,它的控制效果只有在稳态时才符合要求。在过渡过程中,电机所产生的转矩需要按照电机的动态数学模型进行分析计算。因此恒定U1/F1控制的电机系统难以满足动态性能的要求。在启动时,为了使系统能满足稳态运行的条件,频率的变化应尽可能缓慢,以避免电机出现失速现象,即电机转子的转速与旋转磁场的转速相差很大。滑差增大,造成电机中流过很大的电流,电机输出的转矩将减小。
恒定U1/F1控制最容易实现,它的变频机械特性基本上是平行下移,硬度也较好,能够满足一般的调速要求,突出优点是可以进行电机的开环速度控制。
恒定U1/F1控制存在的主要问题是低速性能较差。这是由于低速时异步电机定子电阻压降所占比重增大,已不能忽略,电机的电压和电势近似相等的条件已不满足,仍按U1/F1恒定控制已不能保持电机磁通恒定。电机磁通的减小,电机电磁转矩的减小。因此,在低频运行的时候,要适当的加大U1/F1的值,以补偿定子压降。
若采用开环控制,则除了定子漏阻抗的影响外,变频器桥臂上下开关元件的互锁时间也是影响电机低速性能的重要原因。对电压型变频器,考虑到电力半导体器件的导通和关断均需一定时间,为防止上下元件在导通/关断切换时出现直通,造成短路而损坏,在控制导通时设置一段开关导通延迟时间。在开关导通延迟时间内,桥臂上下电力半导体器件均处于关断状态,因此又将开关导通延迟时间称为互锁时间。互锁时间的长短与电力半导体器件的种类有关。由于互锁时间的存在,变频器的输出电压将比控制电压低。在低频的时候,变频器的输出电压比较低,PWM逆变脉冲的占空比比较小,这时互锁时间的影响就比较大,从而导致电机的低速性能降低。互锁时间造成的压降还会引起转矩脉动,在一定条件下将会引起转速、电流的振荡,严重时变频调速系统不能运行。
如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些,把转子漏抗上的压降也抵消掉,便的到恒定Er/F1控制,其机械特性是一条直线。显然,恒定Er/F1控制的稳态性能最好,可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。当频率恒定时,电动势与磁通成正比。气隙磁通Eg的感应电动势对应于气隙磁通Φm,那么,转子磁通的感应电动势Er就应该对应于转子磁通Φr
Er=4.44F1N1KN1Φr
由此看见,只要能够按照转子磁通Φr=恒值进行控制,就可获得恒定Er/F1控制。这正是矢量控制系统所遵循的原则。在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速,但是在频率较低时,定子漏阻抗压降已不能忽略,因此要人为地提高定子电压,以作漏抗压降的补偿,维持Eg/F1≈常数,此时变频器输出U1/F1系如图6-4中的曲线2,而不再是曲线1。
多数变频器在频率低于电机额定频率时,输出的电压U1和频率F1类似图6-4中曲线2,并且随着设置不同而改变补偿曲线的形状,使用时要根据实际电机运行情况调整。
(2)基频以上调速
当电机的电压随着频率的增加而升高时,若电机的电压已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。
在基频以上调速时,频率可以从基频往上增加,但电压却不能超过额定电压,此时,电机调速属于恒转矩调速。电机在恒转矩调速时,磁通与频率成反比地降低,相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况结合起来,可得图6-5所示的异步电机变频调速的控制特性。如果电机在不同转速下都具有额定电流,则电机都能在温升允许的条件下长期运行,这时转矩基本上随磁通变化;按照电力传动原理,在基频以下,属于“恒转矩调速”的性质,而在基频以上,基本上属于“恒功率调速”。
此时变频器的输出频率F1提高,但变频器的电源电压由电网电压决定,不能继续提高。根据公式(1-6),Eg不能变,F1提高必然使Фm下降,由于Фm与电流或转矩成正比,因此也就使转矩下降,转 矩虽然下降了,但因转速升高了,所以它们两的乘积并未变,转矩与转速的乘积表征着功率。因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。异步电机变频调速恒转矩和恒功率区域状态的特性如图6-6所示。
由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时,输出频率和电压是按一定规律改变的,在额定频率以下,变频器的输出电压随输出频率升高而升高,即所谓变压变频调速(VVVF)。
实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下,低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降,其采用的方式多种多样。有矢量控制技术,直接转矩控制技术以及拟超导技术等。其作用不外乎动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率,也就是利用电路和计算机技术,实时地而不是固定地改变图6-6中曲线1的形状达到低速时力矩提升,并且稳定运行,又不至于电流太大而造成故障。基频以上频器的输出电压维持电源额定电压不变,适合变频调速系统的恒功率负载特性。
因为每台变频器应用到什么负载上是不确定的,而不同负载在低频时对U/F比的要求又很不一致。为此,各种变频器在U/F控制模式下,提供了任意预置U/F比的功能。使用户可以根据电机在低速 运行时负载的轻重来选择U/F比,如图6-7所
示。