2.4 拖动负载须有劲
2.4.1电机特性应知晓
电动机的带负载能力主要体现在其机械特性上。所谓机械特性，是在某一转速下，电动机所能产生的电磁转矩的大小。
电动机在没有人为地改变其参数时的机械特性，称为自然机械特性。异步电动机的自然机械特性及其能量图如图2-23所示。由图可知，转速下降时，由于转差增大，转子绕组切割旋转磁场的速度也增大，转子电流和电磁转矩也都随之增大。
图2-23 电动机的自然机械特性
自然机械特性的主要特征可由三个点来描述:
(1) 理想空载点
电动机输出轴上的转矩为0，称为理想空载。这时，电动机的转速可以达到同步转速(旋转磁 场的转速)n0。所以，理想空载点的坐标是:
(0，n0)
(2) 起动点
电动机刚接通电源，但转速仍为0时称为起动点，这时的转矩称为起动转矩TS，也叫堵转转矩。因此，起动点的坐标是:
(TS，0)
通常，异步电动机的起动转矩应大于额定转矩的1.5倍:
TS≥1.5TMN
(3) 临界点
异步电动机的机械特性有一个拐点K。在这一点，电动机所能产生的电磁转矩最大，称为临界转矩，用TK表示，K点称为临界点。与此对应的转速称为临界转速nK，相应地，有临界转差ΔnK和临界转差率sK。所以，临界点的坐标是:
(TK，nK)
临界转矩与额定转矩之比就是异步电动机的过载能力。通常，过载能力应大于2:
TK≥2.0TMN
(4) 人工机械特性
电动机在人为地改变了某个参数后所得到的机械特性，称为人工机械特性。就异步电动机而言，常见的有:
改变定子电压
异步电动机在改变定子电压后，其机械特性的特点如图2-24(a)中之曲线②(曲线①是自然机械特性)所示:
图2-24 异步电动机的人工机械特性
a) 临界转矩减小为TK′;
b) 临界转速nK不变。
改变转子回路的电阻
这是绕线转子异步电动机的调速方法。当转子回路的电阻增大后，其机械特性的特点如图2-24(b)中之曲线③所示:
a) 临界转矩TK不变;
b) 临界转速下降为nK′。
2.4.2 转矩补偿仔细瞧
(1) 补偿正好
在第一讲曾经提到，电动机在低频时的转矩可以通过提高调节电压与频率的比值(U/f比)来提高。在变频器中，这种方法称为V/F控制法。这种功能称为转矩补偿功能，或转矩提升功能。
如图2-25，假设在低频运行时负载较重，如图2-25(a)所示。这时:电动机的电流等于额定电流 IMN，定子电路中的阻抗压降ΔUX与额定状态时相等:
图2-25 补偿正好时的磁通
ΔUX＝ΔUN
如果电压的补偿量Δu恰到好处，则可使反电动势与频率之比与额定状态时相等:
从而使铁心内的磁通量也等于额定值:
ΦX′＝ΦN
电动机的运行将十分正常。
(2) 补偿过分
如果工作频率不变，电压的补偿量也不变，但负载减轻了，如图2-26(a)所示。
图2-26 补偿过分时的磁通
则:
电动机的电流必将减小:
IMX＜IMN
定子绕组的阻抗压降也同时减小:
ΔUX＜ΔUN
其结果是，反电动势EX″在外加电压UX′中所占的比例增大，反电动势与频率之比也增大:
从而使铁心内的磁通量将超过额定值:
ΦX″＞ΦN
结果是，电动机的磁路饱和，励磁电流的波形发生畸变，其峰值有可能超过电动机允许的上限值，使电动机发热甚至烧毁。
(3) 补偿过分时的电流－转矩曲线
在电压和频率都不变的常规情况下，人们习惯于“负载越大、电流也越大”的规律。这是因 为作为传递能量的中间环节─磁通的变化极小的缘故。
但在变频调速系统中，一个十分突出的问题，就是磁路系统工况的不稳定。如第一讲中所分析的:改变频率时，电动机定、转子之间的能量关系容易失衡，磁路容易饱和，并使励磁电流发生畸变的情形。具体分析如下:
假设电动机在工作频率为fX(＜fN)时带动某变动负载，负载的最大转矩接近于电动机的额定转矩(TL≈TMN)，为了在频率较低时也能带动负载，在V/F控制方式下进行了转矩补偿，选定了U/f比(kU＞kf)。
要讨论的问题是:当负载由空载逐渐增大的过程中，电流的变化规律如何(电动机的工作频率fX不变)。作为讨论的基础，我们假定:在所选的U/f比下，电动机刚好能克服负载最重时的阻转矩。就是说，在负载最重的情况下，电动机的定子电流不超过额定值。这意味着，在负载最重的情况下，输入功率与输出功率正好平衡。
1) 空载时的电动机电流
简单地说，空载时，即使不进行补偿(kU＝kf)，电动机也能带得动。因此，被提升了的U/f比将使电动机处于“补偿过分”的状态。
其结果如前述，将引起磁路的深度饱和、励磁电流I0的波形发生严重畸变，峰值很大。在定子电流I1中，I0居主导地位。I1的有效值因I0的增大而增大，达到接近或超过额定电流IN的程度，甚至有可能导致因过流而跳闸。如图2-27中之A点。
图2-27 补偿过分时的电流－转矩曲线
2) 负载增大时电流的变化
负载增大时，转子电流I2及其磁动势I2N2(或I2′N1)也增大。其去磁作用使励磁磁动势I0N1与磁通Φ1减小，铁心的饱和程度逐渐减轻，励磁电流的尖峰值迅速减小，故而I1反而下降，如图2-27所示的Ｑ点以前的情形。
3) 负载较重时电流的变化
当转子电流I2及其磁动势I2N2(或I2′N1)增大到足以使铁心脱离饱和状态，励磁电流I0的波形及其有效值恢复正常时，在定子电流I1中，代表负载大小的转子电流I2又居主导地位。这以后，随着负载和转子电流I2的增大，定子电流I1也随之增大。如图2-27所示的Ｑ点以后的情形。
(4) I1＝f(TL)曲线的实际意义
许多负载在工作过程中，其阻转矩TL的大小是不断变化的(典型例子如塑料挤出机)。不言而喻，当负载转矩变化时，电流I1和电阻压降ΔUr也必随之变化。
另一方面，在大多数情况下，U/f比一经设定之后是不能变化的。通常，是以重载时也能带得动负载作为设定U/f比的依据的。显然，重载时电流I1和电阻压降ΔUr都大，需要的补偿量(即U/f比)也大。但这样一来，在负载较轻，I1和电阻压降ΔUr都较小时，必将引起“补偿过分”，导致磁路饱和。就是说，在U/f比已经设定的情况下，负载变化时，磁路的饱和程度将随之变化，如上述，这将导致励磁电流的波形发生畸变，其有效值也有较大幅度的变化。
因此，在预置U/f比(转矩提升)时，必须考虑图2-27所示的曲线。具体地说，则:
1) 变动负载中U/f比的设定
对于转矩变化较大的负载，在采用V/F控制方式时，正确地设定U/f比是十分重要的。毫无疑问，人们首先关心的是:低频时电动机能否带得动最重的负载？因而容易把U/f比设定得较大。然而，图2-27所示的曲线表明，如U/f比过大，则空载时容易跳闸。
因此，调试时，U/f比宜由小逐渐加大，每加大一档，观察能否带得动重负载？及至能带动时，还应反过来观察空载时会不会跳闸？一直到在低频运行时，既能带得动重负载，又不会空载跳闸时为止。
2) 二次方律负载的U/f比设定
二次方律负载在低速时，负载的阻转矩甚小，如果变频器的U/f比由于某种原因而设定得较大时，有可能因此而跳闸。因此，应将U/f比设定得尽量地小，以利于节能。
(5) 准确预置U/f比举例
1) 风机
风机属于二次方律负载，在低转速(频率较低)运行时，负载的阻转矩很小。即使不进行补偿，负载转矩也比电动机的有效转矩小得多。针对这类负载，变频器专门设置了若干根“负补偿线”(kU＜kf，如图2-28(b)中之曲线②(曲线①是kU＝kf的U/f线)所示。
图2-28 风机的U/f比预置
2) 带式输送机
带式输送机属于恒转矩负载。如图2-29(a)所示的输送煤碳或石料的传输带，在运行过程中，其负载轻重虽略有变化，但总体上说，可以认为，负载的阻转矩是基本不变的，其机械特性如图2-29(b)所示。
图2-29 带式输送机的U/f比预置
对于这类负载，必须考虑在低频时也能带动负载的问题。因此，应该选择具有一定补偿量的U/f线，如图(c)中之曲线②所示。
3) 离心浇铸机
离心浇铸机的机械特性如图2-30(a)所示，低速时，铁水并不灌入，机器处于空载状态。铁水在高速状态下灌入，机器开始重载运行。重载时的调速范围并不广，工作频率约为40～50Hz。
图2-30 离心浇铸机的U/f比预置
因为电动机在40～50Hz范围内运行时，即使不进行转矩补偿，有效转矩基本上等于额定转矩。而低速起动过程中，负载处于空载状态，选择基本U/f线即可，如图(b)中之曲线①所示。
2.4.3 转差补偿特性调
(1) 转差补偿的目的
由异步电动机的自然机械特性可知，当负载的阻转矩从轻载(TL≈TM≈0)增大到额定值(TL≈TMN)的过程中，拖动系统的转速是有所下降的。转差补偿的目的，是使拖动系统的转速基本不变(nM2≈n02)，从而得到较硬的机械特性。
(2) 转差补偿的方法
当负载增加，转速下降时，通过适当提高变频器的输出频率，使电动机因转差而降低了的转速得到补偿。
例如，当负载转矩为TLN(≈TMN)时，通过预置“转差补偿”，适当提高变频器的输出频率，使电动机的同步转速从n02上升至n02′，而拖动系统的工作点则从Q2上升至Q2′。使拖动系统的转速与原来给定的同步转速n02基本相等。
由于用户的给定频率并未改变，因此，宏观地从转速给定的角度看，电动机的机械特性变“硬”了，如图2-31(b)所示。
图2-31 转差补偿原理及应用
(3) 转差补偿应用举例
风机在变频50Hz时的实际转速常常比工频运行时低一些，风量较小。究其原因，是因为变频器的逆变管在交替导通过程中存在着死区，故50Hz时的输出电压低于380V，其机械特性如图2-31(c)中之曲线②所示(曲线①是自然机械特性)。所以，转速从工频运行时的n1降为n2。
如果要使变频50Hz时的转速和工频运行时相同，可适当预置转差补偿功能，使电动机的机械特性如图(d)中之曲线③所示，风机的转速将上升至n1。
2.4.4 矢量控制拇指翘
(1) 采用矢量控制方式的基本要领
实行矢量控制的基本途径，是进行磁场之间的等效变换，而进行等效变换的前提是必须对变换前的磁场有足够的了解。因此，应把电动机的有关参数输入给变频器。主要有:
电动机的额定容量、额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、磁极数等，以及定子每相绕组的电阻和漏磁电感、转子每相等效绕组的电阻和漏磁电感、定、转子绕组间的互感、空载励磁电流等。
目前，新系列的变频器都配置了“自测定功能”，能够自动地测定电动机的有关参数。具体方法如下:
1) 使电动机脱离负载(实在不能脱离时，须参照说明书的有关规定);
2) 输入电动机的额定数据;
3) 使变频器处于“键盘操作”方式;
4) 将自测定功能预置为“自动”方式;
5) 按下“ＲＵＮ”键，电动机将按照预置的升速时间升速至一定转速(约为额定转速的一半)，然后又按照预置的降速时间逐渐降速并停止，当显示屏上显示“自测定结束”时，自测定过程即告完成，约需1.5min左右。但也有的变频器在自测定过程中，电动机是不转的，须注意阅读说明书。
(2) 矢量控制方式的适用范围
变频器内，通常以配用电动机容量与变频器要求相吻合的4极电动机为基本模型进行计算的。由于受到内部微机容量的限制，变频器对于灵活处理不同电动机参数的能力也就有限。主要限制有:
1) 矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下。当一台变频器控制多台电动机时，矢量控制将无效;
2) 电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次。例如，变频器要求的配用电动机容量为7.5kW，则配用电动机的最小容量为5.5kW，对于3.7kW的电动机，就不适用了;
3) 磁极数一般以2、4、6极为宜，极数较多时须查阅有关说明书(不同变频器对极数的限制也不一样);
4) 特殊电动机不能使用矢量控制功能。如力矩电动机、深槽电动机、双鼠笼电动机等。
(3) 矢量控制的特点与应用
1) 无反馈矢量控制
图2-32 无反馈矢量控制的机械特性
无反馈矢量控制方式的主要优点是使用方便，用户不需要增加任何附加器件。且机械特性较硬，能够满足大多数生产机械的需要。主要缺点是调速范围和动态响应能力都略逊于有反馈矢量控制方式。
事实上，大多数恒转矩负载都可以选择无反馈矢量控制方式。它非但机械特性优于V/F控制方式，且不会发生电动机磁路饱和等问题，故调试方便。
2) 有反馈矢量控制
图2-33 有反馈矢量控制的机械特性
有反馈矢量控制是各方面性能都比较优越的一种控制方式。但因为它是以有转速反馈为前提的，故必须安装转速测量装置，这对于普通电动机的变频改造来说，常常是比较麻烦的。因此，有反馈矢量控制方式主要用于如下场合:
a) 要求有较大调速范围者，例如兼有铣、磨功能的龙门刨床;
b) 对动态响应能力有较高要求者，例如某些精密机床;
c) 对运行安全有较高要求者，例如起重机械等。
2.5 端子功能可设定
变频器具有十分丰富的控制功能，这些控制功能是通过变频器的输入控制端和输出控制端与外部电路配合完成的。
2.5.1 输入端子利遥控
外接输入控制端接受外部输入的各种控制信号，以便对变频器的工作状态和输出频率进行控制。其控制电路如图2-34所示，外部控制信号通常都是开关信号，变频器内部则由光电耦合管来接受控制信号。
图2-34 变频器的外接输入端子
因为实际上同时使用的控制功能往往是不多的，所以，为了节省变频器的体积，变频器可供联接的控制端子较少，通常不到15个，其中，大部分控制端子的具体功能，须通过功能预置来决定。因为通过外接端子进行控制，对于远距离控制来说，十分方便，故有的变频器把这些端子称为遥控端子。
(1) 基本控制输入端
如正转(FWD)、反转(REV)、点动(JOG)、复位(RST)等，基本信号输入端在多数变频器中是单独设立的，其功能比较固定，如图2-34所示;
(2) 可编程控制输入端
也称为多功能输入端，这些输入端的具体功能须通过功能预置来确定。可预置的功能有:多档转速控制，多档升、降速时间控制，升速、降速控制，可编程序控制等，如表2-2所示。
表2-2 外接可编程控制端的控制功能
(3) 输入端子编程举例－多档转速控制
在预置多档转速控制时，可以在可编程控制端子中任意选择三个(或四个)端子，作为多档转速控制的输入端。
进行预置时，应首先确定其组合顺序。例如，当把“L-63”功能预置为“1”时，则端子X1为最低位;当把“L-64”功能预置为“2”时，则端子X2为中间位;当把“L-65”功能预置为“3”时，则端子X3为最高位。
图2-35 多档转速控制
各档转速的档次按二进制规律由表2-3决定。每个档次的具体工作频率则另行预置，如表2-4所示。
表2-3 各档转速的档次
要实现7档转速控制，需要预置的功能如表2-4所示。
表2-4 多档转速的功能预置
2.5.2 输出端子分三种
(1) 外接输出端子的安排
1) 报警输出端
图2-36 外接输出端子的安排
当变频器发生故障时，变频器将通过输出端子发出报警信号，如图2-36(a)中之TA、TB、TC所示。报警时，TA、TB间的动断触点断开，而TA、TC间的动合触点闭合。
报警信号通常都采取继电器输出，继电器接点可接至AC250V的电路中，最大电流大多为1A，也有2A的。
2) 测量信号输出端
外接测量信号端有如图2-36a中之ＦＭ和ＡＭ所示，有的变频器配置的测量信号端可多至3～4个。
通常给出的测量内容是:FM用于测量频率，AM用于测量变频器的输出电流。
但通过功能预置，可以改变其测量内容。如可以测量变频器的输出电压、负荷率等等。
变频器通常可提供两种测量信号:
a) 模拟量测量信号:如DC0～10V(10V与预置的最高频率对应)等。
b) 数字量测量信号:可直接接至需要数字量的仪器或仪表。
c) 状态信号输出端:状态信号的内容主要有:“运行”信号、“频率到达”信号、“频率检测”信号等。
状态信号的输出电路大多是晶体管的集电极开路输出方式，用于直流低压电路中，如图2-36a)所示。但也有用继电器输出的，如图(b)所示。
这里，就用户常常难以区分的“频率到达”和“频率检测”功能为例，说明如下:
1) 频率到达功能
如果某状态信号输出端被预置为“频率到达”时，则当变频器的输出频率fX到达给定频率fG时，该端子有信号输出，用户并可以预置允许误差Δf，如图2-37(a)所示。
2) 频率检测功能
图2-37 频率到达与频率检测
如果某状态信号输出端被预置为“频率检测”时，则当变频器的输出频率fX到达并超过某一设定的频率fset时，该端子有信号输出，当频率下降时，可以预置一个滞后频率fh，则当频率低于 (fset-fh)时，输出信号断开，如图(b)所示。
(2) 报警输出端应用举例
报警输出端的实际使用例子如图2-38所示。报警时，动断触点TA-TB将主接触器的控制回路断开，使主接触器线圈断电，其主触点断开，使变频器脱离电源。同时，动合触点TA-TC闭合，接通声光报警电路，进行声光报警。由于变频器断电后，报警信号将不可能维持，故在声光报警电路中增加一个中间继电器KA，当声光报警电路接通时，KA的线圈得电，其触点使KA自锁，从而在变频器断电后，可以继续进行声光报警。当工作人员闻讯赶到时，只需按下SB，切断KA的自锁电路，声光报警便停止了。
图2-38 报警输出应用举例
(3) 测量输出端应用举例
今以由输出信号DC0～10V测量变频器的输出频率为例，说明其使用方法:到市场上买一块量程为0～10V的直流电压表，取出“表面”，将量程由原来的“0～10”修改为“0～50”(假设最高频率为50Hz)，同时，将电压标志“V”修改为频率标志“Hz”，则一块外接频率表就完成了，如图2-39所示。图(a)为将模拟量输出端AM预置为测量频率，图(b)为表面的修改情形。如?潜硐允镜?0Hz与变频器本身的显示不符，可通过“模拟输出增益”功能进行校准。
图2-39 测量输出应用举例
2.6 过流过载要分清
2.6.1 过流、过载两分离
(1) 过载保护的对象与特点
1) 过载保护
变频器的所谓过载，是指电动机过载。所以，过载保护的保护对象是电动机。其基本特点是:变频器的输出电流超过了电动机的额定电流IMN，但并未超过变频器的额定电流IN:
IN＞IX＞IMN
时，变频器需要对电动机进行过载保护，如图2-40右上方的虚线框中所示。
图2-40 过载与过流
2) 过载保护的特点
过载保护具有反时限的特点，即:轻微过载时，允许电动机继续运行的时间可以长一些;严重过载时，必须及早进行保护，如图2-41(a)所示。
图2-41 过载保护的反时限曲线
由于电动机在低频运行时，内部的散热效果变差。所以，过载保护曲线与运行频率有关。在过载率相同的情况下，运行频率越低，允许运行的时间越短，如图(b)所示。
(2) 过流保护的对象与特点
1) 过流保护
当变频器的输出电流超过了自身的额定电流:
IX＞IN
或瞬间的冲击电流超过了变频器的过载能力:
IX＞1.5IN
时，变频器就需要进行过流保护了，如图2-40中左上方的虚线框中所示。所以，过流保护的对象是保护变频器自身。
2) 过流保护的特点
由于过电流可能损坏变频器的器件，所以，对过电流的保护措施便是立即跳闸。
2.6.2 一般故障不停机
(1) 跳闸后的自动重合闸
变频器是全晶体管设备，在运行过程中，较容易因受到外界的干扰而“故障跳闸”。显然，这是一种误动作。如果拖动系统动辄因变频器跳闸而停机，势必耽误生产。
经过观察，人们发现一个规律:导致变频器误动作的干扰信号，不大可能是连续不变的，也不可能以连续脉冲的方式出现。为此，变频器设置了跳闸后的重合闸功能。就是说，当受到外界干扰而误动作跳闸时，变频器将可以自动地重新合闸，以不影响生产。
(2) 瞬时停电的自动重合闸
电源的瞬时停电，实际上也是一种误动作，但和跳闸后的重合闸功能又有所区别。两者的区别如图2-42所示，主要区别如下:
图2-42 跳闸重合闸与瞬时停电重合闸
1) 误动作引起的跳闸，是变频器进行了错误的判断后的跳闸行为;
而瞬时停电后的跳闸是变频器在失去电源后导致的欠电压跳闸。
2) 跳闸后的重合闸是主动行为，中间的间隔时间由用户自行设定，通常时间较短，如图2-42(a)所示。图中，tSP是用户预置的间隔时间;
而瞬时停电后的重合闸是被动行为，重合闸动作要由再来电的时间决定，间隔的时间通常较长，如图(b)所示。图中的t0是停电的时间，这个时间是用户无法控制的。
