变频调速应用技术……第三讲 选好系统上变频(下)

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:

    I_B＝I_MN/2
    →T_B≈T_MN      (3-12)

    式中， I_B—制动电流，A;
         I_MN—电动机额定电流，A;
         T_B—制动转矩，N·m;
         T_MN—电动机额定转矩，N·m。

    一般情况下，制动转矩的选择范围是:

     T_MN＜T_B＜2T_MN     (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，R_B—制动电阻值，Ω;
 　     U_BH—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:
    U_BH＞U_L(1＋10%)  (3-15)
    式中，U_L—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，P_BO—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:

   P_B≥α_B P_BO      (3-17)

   式中，P_BO—制动电阻容量的实际值，kW;
 　 α_B—容量的修正系数。
    α_B的取值范围大致如下:
    用于减速或停机时α_B＝0.1～0.5
    用于运行发电时α_B＝0.8～1.0
    “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650V~700V，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, P_EN─发热元件的额定功率，W;
     U_EN─发热元件的额定电压，V;
     R_E─发热元件的热态电阻，Ω。

    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:20Ω、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R_B′的大小为:R_B′＝24.2Ω

    冷态电阻值接近于20Ω。

    发热元件总的额定功率:P_B′＝2×9＝18kW

    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:

    U_D＞U_DH→BV导通;

    U_D＜U_DH→BV截止。

    这里, U_D—直流主电路的电压，V;

 U_DH—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

    U_A是与电压上限值U_DH(700V)对应的基准电压;

    U_S是与U_A直流电压的实际值对应的采样电压。U_S和通过比较器进行比较后工作如下:

    U_D＞U_DH→U_S＞U_A→比较器输出为“＋”→驱动电路输出为“＋”→BV导通;

    U_D＜U_DH→U_S＜U_A→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:

    U_D＞650V→U_S＞U_A→比较器输出为“＋”→继电器KB吸合→接触器KM闭合;

    U_D＜620V→U_S＜U_A→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，①是线圈，用于通入被测电流IX;②是铁心，当线圈中通入电流后，铁心将被吸入;③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U_X↑→I_X↑→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:

   f_X↓→X_L=2πf_XL↓→I_X↑→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①是准确测量的结果，曲线②是电磁式电压表测量的结果。例如，当f_X＝20Hz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②所示。当f_X＝20Hz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，①是永久磁铁; ②是偏转线圈，用于通入被测电流I_X; ③是磁钢，用于作为磁路的一部分; ④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U_X↑→I_X↑→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①是准确的测量结果，曲线②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, I_IN—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↑→μ↓

    这里，f₇—7次谐波电流的频率，Hz;

 　     μ—导磁率。

    (2) 铁心中的功率损失

p_Fe7∝f₇²

  ∴   f₇↑→P7↓

    这里，p_Fe7—7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

      X_L＝2πf_L
∴   f₇↑→X_L7↑→I₇′↓

    这里, L—互感器绕组和仪表绕组的电感，H;
       X_L—互感器绕组和仪表绕组的感抗，Ω;
       X_L7—互感器绕组和仪表绕组的与7次谐波频率对应的感抗，Ω;
       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

   f₇↑→I_C7↑

    这里，I_C7—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:

      I₅′＜I₅、I₇′＜I₇、I₁₁′＜I₁₁……

    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，①是静止线圈，通常用来作为电压线圈;②是活动线圈，通常用来作为电流线圈;③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, λ—传动比;
 n_M—电动机的转速，通常是传动机构输入轴的转速，r/min; 
       n_L—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λ倍，而负载侧所得到的转矩则比电动机侧增大了λ倍。

3.7.2.2 转矩与转速的折算

    (1) 折算的必要性

    在分析电动机能否带得动负载时，需要对电动机的转矩和负载转矩在同一个坐标系内进行比较，但当传动机构的传动比不等于1时，比较时出现了麻烦。举例说明如下:

    假设:电动机轴上的转矩为T_M＝35N·m，转速为n_M＝1500r/min，如图3-38(a)所示。则在坐标系内的工作点为Q1(50，1440);

图3-38      电动机和负载的工作点

    传动比λ＝4。故负载轴上的转矩为T_L＝200N·m，转速为n_L＝360r/min。在坐标系内的工作点为Q2(50，1440)，如图3-38(b)所示。

    图3-38(b)表明，一个能够正常运行的拖动系统，却把电动机轴上的工作点和负载轴上的工作点分开了，这就难以对电动机的转矩和负载转矩进行比较。为此，必须把所有轴上的参数(转矩和转速等)都折算到同一个轴上。在大多数情况下，都折算到电动机轴上。

    (2) 折算的基本原则

    最根本的原则是能量守恒原理。就是说，在折算前后，传动机构传递的能量不变。具体地，则有: 

    稳态过程:折算前后，传动机构所传递的功率不变。

    动态过程:折算前后，旋转部分储存的动能不变。

    (3) 折算公式

    下面所列，就是把负载轴上的参数折算到电动机轴上的公式。

    转速的折算 

      n_L′＝n_L·λ＝n_M  (3-24)

    事实上，负载转速折算到电动机轴上，就是电动机的转速。    

    转矩的折算 

   (3-25)

    式(3-25)的物理意义是:经过传动机构减速后，电动机轴上的负载“变轻”了。

    飞轮力矩的折算

 (3-26)

    式(3-26)表明，经过传动机构减速后，电动机轴上的飞轮力矩将大为减小，这十分有利于电动机的起动。

3.7.3 遇事常想传动比

    在实际工作中，经常遇到的一个问题是:电动机能否带得动负载，以及能否顺利起动？在解决这些问题时，一方面，要注意调整变频器的功能预置;另一方面，就是要注意调整传动机构的传动比。今举几个实例如下:

    实例1:某电动机，带重物作园周运动，如图3-39所示。运行时，到达A点后电动机开始过载，到达B点时容易堵转，怎样解决？(上限频率为45Hz)

图3-39     重物圆周运动

    可以通过加大传动比来解决。

    (1) 如将传动比加大10%，则在电动机转矩相同的情况下，带负载能力也加大10%。但这时的上限频率应加大为:

   f_H′＝f_H(1＋10%)＝45×(1＋10%)＝49.5Hz

    (2) 如将传动比加大.15%，则在电动机转矩相同的情况下，带负载能力也加大15%。但这时的上限频率应加大为:

   f_H″＝f_H(1＋15%)＝45×(1＋15%)＝52Hz

    实例2:某带式输送机，原用三相整流子电动机，容量为7kW，实测最大电流为12A，最高运行转速为1200r/m，调速范围αn=2;传动机构为齿轮箱，λ=5

   改用变频调速时，选用4极、5.5kW异步电动机，额定电流为11.6A，工作频率范围是21～42Hz。满载时实测电流为11.5A，但电动机温度偏高，如何改进？

    原因分析

    根据实测电流，电动机基本上是满载运行，但低速运行时，电动机的散热条件变差，故温度偏高。

    如适当加大传动比，减小电动机的负荷率，发热问题就可以解决。

   具体计算

    (1) 电动机的额定转矩

 

    (2) 负载转矩

    由于电动机的负荷率σA≈100%，又因为λ＝5，故:

     T_L＝T_MN·λ＝36.5×5＝182.5N·m

    (3) 加大传动比及效果

    如将传动比增大为λ′=6，则负载转矩的折算值为:

 

    电动机轴上的负荷率为:

     

   显然，可以减轻电动机的负载。

    (4) 修正上限频率

    这时，上限工作频率应修正为:

     

    即，加大传动比后的工作频率的范围是:25.2~50.4Hz。

图3-40      锯片磨床示意图

    实例3:某锯片磨床，卡盘直径为2m，传动机构是齿轮箱，传动比λ=5，电动机的容量为3.7kW。
存在问题:

    由于卡盘的惯性很大，故起动较困难，加、减速时间太长，必须预置为:

      t_R＝t_D≥20s

    解决办法:

    由式(3-26)知，拖动系统的飞轮力矩(GD2)与传动比的二次方成反比。如加大传动比，则飞轮力矩(GD2)将大为减小。

    今将传动比增大为λ＝7.5，可使折算到电动机轴上的飞轮力矩减小为原来的44%。
结果，卡盘可以在5s内起动起来。