4 机械特性要领先
长期以来，直流电动机调速系统的机械特性一直是人们公认的佼佼者。所以，三相交流异步电动机变频调速系统的机械特性能否和直流调速系统相媲美，便成为了变频调速系统能否复盖全调速领域的试金石。
4.1 电压顶替转矩小
(1) 满足Ｕ/f＝const的机械特性
异步电动机在满足kU＝kF(U/f＝const)条件下的机械特性如图1-25所示。图中，曲线①是在额定频率下的自然机械特性，临界转矩为TKN，允许长时间运行的转矩即为额定转矩TMN;曲线②是频率较低时的机械特性，临界转矩为TKX，比额定频率时的临界转矩TKN小了一些，允许长时间运行的转矩称为有效转矩TMEX，也小于额定转矩TMN。
图1-25 kU＝kF时的机械特性
可见，频率越低，电动机的有效转矩越小，带负载能力也越小。显然，这样的机械特性是难以和直流调速系统相比拟的。
(2) 低频时临界转矩减小的原因
从根本上说，这是用U1X/fX＝const近似地代替E1X/fX＝const的结果，如图1-26所示。
图1-26 低频时临界转矩减小的原因
图1-26(a)所示是在额定频率下运行时，反电动势EN和外加电压UN之间的关系。假设运行电流等于额定电流IN，则定子绕组的阻抗压降为ΔUN。
当频率下降为fX时，在kU＝kF的前提下，外加电压下降为UX。如果负载转矩未变，则定子电流仍为IN，定子绕组的阻抗压降ΔUX基本未变:
ΔUX≈ΔUN
显然，阻抗压降ΔUX在外加电压UX中所占的比例增大了，而反电动势EX在外加电压UX中所占的比例则减小了。就是说，当UX/fX＝const时，比值EX/fX实际上是随fX的下降而减小的。从而，主磁通Φ1也随之减小，如图1-26(b)所示。所以，电动机的临界转矩TKX和有效转矩TEX也都随之减小。
4.2 对症下药补偿要点
(1) 转矩补偿的基本原理
为了使EX/fX＝const的条件得到满足，以维持磁通Φ1基本不变，人们首先想到的办法便是:频率下降时，在UX/fX＝const的基础上增加Δu，适当提高UX/fX的比值，以补偿阻抗压降ΔU在UX中所占比例增大的影响。这种方法称为转矩补偿或电压补偿，也叫转矩提升。因为是通过改变U/f比来实现的，故通常称为V/F控制法。
图1-27 转矩补偿的原理
如图1-27(a)所示，曲线①是kU＝kF时的U/f线，当频率为fX时，对应的电压为UX;曲线②是补偿后的U/f线。当频率为fX时，对应的电压增加为UX′＝UX＋Δu，使UX′/fX＞UN/fN。如补偿得恰到好处的话，则反电动势与频率之比与额定状态基本相同，如图1-27(b)所示，从而使磁通ΦX′大体上与额定磁通相等:
(2) 变频器的U/f线
由于不同负载在低频运行时，负载轴上的阻转矩也各不相同。与此对应的定子电流和阻抗压降也不一样，所需要的补偿量也就各异。为此，各种变频器都设置了可供用户选择的转矩提升功能(U/f线)。
各种变频器提供的U/f线类型很不相同，但归纳起来，大致有以下几种:
l 直线型
图1-28 变频器的U/f线
所提供的U/f线都是直线，如图1-28(a)所示。有的变频器对所有的U/f线进行了编号，用户只需根据需要选择一个编号即可;也有的变频器则选择起始电压与额定电压之比的百分数(UC%)。
l 折线型
由于在频率较高部分，实际上常不需要补偿。因此，用户可预置需要补偿的转折频率ft，同时预置一个起始电压即可，如图1-28(b)所示。
l 任意折线型
用户可预置2～4个转折点，从而可使所需U/f线为任意折线型，如图1-28(c)所示。
l 自动U/f线
各种变频器都设置了自动U/f功能，变频器可以根据定子电流的大小自动调整U/f比。这种方式对于一些在运行过程中阻转矩经常变动的负载来说，是较好的选择;但对于阻转矩比较稳定的负载来说，如选择自动U/f功能时，由于变频器处于不断的检测和调整状态，反显得不够稳定。
(3) V/F控制法的缺点
V/F控制法中，当转矩补偿线选定之后，电动机输入电压U1X的大小只和工作频率fX有关，而和负载轻重无关。
但许多负载在同一转速下，负载转矩是常常变动的。例如塑料挤出机在工作过程中，负载的阻转矩是随塑料的加料情况、熔融状态以及塑料本身的性能等而经常变动的。
用户在决定U/f线时，只能根据负载最重时的状况(I1＝I1N)进行选择。当负载较轻时，电压的补偿量将处于“过补偿”状态。这是因为:负载较轻时，电流I1下降，定子绕组的阻抗压降ΔU也减小。结果，比值E1X/fX将偏大，使磁路饱和。
上述分析表明，当变动负载采用V/F控制法时，电动机磁路的饱和程度将随着负载的变化而变化，这无疑是个瑕点，使它仍难以和直流电动机相媲美。
4.3 矢量控制特性
直流电动机的调速性能是十分优越的，所以，人们就致力于分析直流电动机调速性能优越的原因，进而研究如何使异步电动机也能够具有和直流电动机类似的特点，从而改善其调速性能，这就是矢量控制的基本指导思想。
(1) 直流电动机的特点
l 磁场特点
直流电动机中有两种磁通:
主磁通—由定子上的主磁极产生，用Φ0表示。主磁极上有励磁绕组，绕组中通有励磁电流I0。
电枢磁通—由转子绕组中的电枢电流IA产生，用ΦA表示。
主磁通和电枢磁通在空间是互相垂直的，如图1-29(a)所示。
图1-29 直流电动机的特点
l 电路特点
励磁绕组的电路和电枢电路是互相独立的，如图1-29(b)所示。
l 调速特点
在这两个互相垂直而独立的磁场中，只需调节其中之一即可进行调速，两者互不干扰，调速后的机械特性如图1-29(c)所示。
(2) 矢量控制的基本考虑
仿照直流电动机的特点，当变频器得到给定信号后，首先由控制电路把给定信号分解为两个互相垂直的磁场信号:励磁分量ΦM和转矩分量ΦT，与之对应的控制电流信号分别为iM*和iT*。并假设，这两个互相垂直的磁场信号在空间是旋转着，转速等于给定频率相对应的同步转速。
旋转着的直流磁场，和由三相电流产生的旋转磁场，在转速和磁感应强度都相同的前提下，是可以进行等效变换的。所以，直流旋转磁场的控制信号可以等效地变换成三相交变磁场的控制信号iA*、iB*和iC*，用来控制逆变桥中各开关器件的工作，如图1-30所示。在运行过程中，当由于负载发生变化导致转速变化，并通过转速反馈环节反馈到控制电路时，令磁场信号iM*不变，而只调整转矩信号iT*，从而使异步电动机得到和直流电动机十分相似的机械特性。
图1-30 矢量控制框图
(3) 变频调速与直流电动机的比较
迄今为止，变频调速在绝大多数领域都已经赶上或超过了直流电动机，这里只举两个例子。
l 拖动二次方律负载
图1-31 变频调速与直流电动机的比较
风机、水泵等属于二次方律负载，其机械特性如图1-31(a)中之曲线①所示。由于转速越低，负载的阻转矩越小，因此，异步电动机在无补偿情况下，低频运行时转矩减小的缺点反变成了优点，如图1-31(a)中之曲线②所示。如果用直流电动机拖动二次方律负载，则低速运行时，将处于严重的“大马拉小车”的状态，如图1-31(a)中之曲线③所示。
l 额定转速以上的特性
一方面，如上述，两个电路互相独立是直流电动机的优点之一。
另一方面，直流电动机在额定转速以下调速时，其机械特性之所以能十分“平直”，是因为在调速装置中加入了两个反馈系统:电流反馈系统(内环)和转速反馈系统(外环)。
但是，这两个反馈系统只能加到一个独立电路(电枢电路)上。所以，当通过减小励磁电流，在额定转速以上调速(弱磁调速)时，电动机的机械特性将得不到改善，如图1-25(c)所示。
而变频调速中的矢量控制方式，虽然是模拟了直流电动机的结果，但受控的三相电路实际上并未分开。所以，即使在额定转速以上，矢量控制方式仍能适用，故机械特性较好，如图1-31(b)所示。
5 电路结构记心间
各种变频器控制电路的差异是很大的，但主电路的结构却基本相同。此外，许多故障现象都可以通过主电路来进行分析。所以，记住主电路的结构与特点具有十分重要的意义。
5.1 交－直变换有特点
交—直变换电路就是整流和滤波电路，其任务是把电源的三相(或单相)交流电变换成平稳的直流电。由于整流后的直流电压较高，且不允许再降低，因此，在电路结构上具有特殊性。
(1) 全波整流电路与判断
l 整流电路
在SPWM变频器中，大多采用桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块，如图1-32(a)所示。
三相全波整流后的电压波形如图1-32(a)所示，它具有6个波头，故也称为6波头整流。
图1-32 全波整流电路与判断
l 整流管损坏的判断
判断整流管是否损坏时，应记住整流前后各端子的符号。今以判断VD1为例，由图1-32(a)知，VD1在R端和P端之间，当万用表的黑表笔(电源正端)与R相接，红表笔(电源负端)与P相接时，在正常情况下，VD1是导通的;反之，则不导通。测量方法如图1-32(b)所示。
(2) 滤波与均压电路
三相全波整流后的电压波形脉动较大，需要进行滤波。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图1-33中的CF1和CF2所示。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量常不能完全相等，这将导致它们承受的电压UC1和UC2不相等，承受电压较高的电容器组将容易损坏。
为了使UC1和UC2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2，如图1-33所示。均压原理如下:
图1-33 滤波与均压电路
假设CF1＜CF2，则UC1＞UC2。这时，CF2上的充电电流IR1必将大于CF1上的充电电流IR2，这样，CF2上的电压UC2有所上升，而CF1上的电压UC1则有所下降，从而缩小了UC1和UC2的差异，使之趋向于平衡。
(3) 限流电路
变频器在接入电源之前，滤波电容CF上的直流电压UD=0。因此，当变频器刚接入电源的瞬间，电源进线之间，犹如被短路了一般，使电源电压瞬间下降而形成干扰。与此同时，将有一个很大的冲击电流iC经整流桥流向滤波电容，如图1-34(a)所示，使整流桥可能因此而受到损害。
为此，在整流桥和滤波电容器之间，接入一个限流电阻RL，把充电电流iC限制在一个较小的范围内，如图1-34(b)所示，以消除刚接通电源时的冲击。
图1-34 限流电路
限流电阻RL如果常时间接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小，同时，也增大了电路的损耗。所以，当UD增大到一定程度时，必须把RL短路掉。短路所用器件大多由晶闸管或接触器构成，在容量较小的变频器中，也常由继电器的触点构成，如图1-34(b)所示。
(4) 直流电压指示电路
直流电压指示灯HL并不在面板上进行显示，通常是在主控板上。其主要功能并不表示电源是否接通，而是在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。
图1-35 直流电压指示电路
如图1-35所示，由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于CF上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分，所以，HL的作用主要在于保护人身安全。
5.2 直－交变换是关键
逆变桥电路由图1-36(a)中的开关器件 V1～V6构成，其功能是把直流电转换成频率可调的三相交流电。目前，中小容量的变频器中，开关器件大多使用IGBT管。
(1) 反向二极管的作用
图1-36 逆变桥与反向二极管的作用
图1-36中，每个逆变管旁边，都反并联一个二极管(VD7～VD12)。其作用是:
l 为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路。如图1-36(b)，在电动机状态下，电流比电压滞后φ1角，电流的瞬间流向如下:
在0～t1期间，电流与电压是反方向的，说明是反电动势克服外加电压而作功，这时的电流便是通过反向二极管从电动机流向直流回路的;
在t1～t2期间，电流与电压是同方向的，说明是外加电压克服反电动势而作功，这时的电流便是通过IGBT管从直流回路流向电动机的。
l 当由于某种原因，电动机转子的实际转速高于同步转速时，反并联二极管的作用是，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。如图1-36(d)，在发电机(再生)状态下，电流与电压之间的相位差角超过了π/2，从而，通过反向二极管流向直流回路的电流大于通过IGBT管流向电动机的电流，从整体效果上看，电动机是在“发电”。
l 为电路的寄生电感在逆变管交替导通过程中释放能量提供通路。
(2) 逆变管的驱动
l IGBT对驱动信号的要求
从截止转为导通时，应适当提高栅极电压uG1的上升率，以缩短开通时间;从导通转为截止时，应适当加入负偏压uG2，以加快关断过程。
l 驱动模块举例
图1-37 IGBT的驱动电路
驱动电路基本上都已经模块化。今以EXB850模块为例，其内部电路及管脚安排如图1-37(a)所示，外接电路如图1-37(b)所示。其工作过程如下:
当晶体管V3的基极得到驱动信号时，V3导通，管脚(15)与(14)之间的光耦合管导通，放大器AMP的输出为“＋”，晶体管V1导通，控制电源的“＋”极从管脚⑵进入，经V1、管脚⑶接至IGBT的栅极。同时，IGBT的发射极经管脚⑴、稳压管VS、管脚⑼接至控制电源的“0V”端。IGBT因G、E间得到正电压而导通。这时，电容器C2上的充电电压是上“＋”下“－”，电压大小取决于稳压管VS。
当驱动信号撤消后，V3截止，管脚⒂与⒁之间的光耦合管也截止，AMP的输出为“－”，V1截止，而V2导通。这时，IGBT的栅极G经管脚(3)、V2、管脚(9)与电源的“0V”相接，而发射极E则与电容器C2的正端相接，IGBT的G、E间得到负偏压，IGBT迅速截止。
(3) 逆变管的缓冲电路
缓冲电路的主要作用是减小IGBT从饱和转为截止时，C-E之间的电压变化率。基本缓冲电路的结构如图1-38所示。以VT1为例，说明如下:
当VT1从饱和状态转为截止状态时，C-E间的电压将由接近于0V迅速上升至直流电压值UD(≈513V)，这过高的电压变化率将使IGBT容易损坏。
图1-38中，减小电压变化率的关键元器件是电容器C01，如图1-38(a)。因为C01两端的电压不能跃变，这就减缓了UCE的上升速率。
图1-38 逆变管的缓冲电路
在VT1截止期间，C01上的电压将充至513V。当VT1又转为饱和导通时，C01上的513V电压将直接向VT1放电，产生十分强大的冲击电流，足以导致IGBT的损坏。为了减小放电电流，在放电回路中串入了电阻R01，如图1-38(b)所示。
但R01的接入，又将影响C01减缓电压变化率的作用。为此，用一个二极管VD01和R01并联，如图c)所示。由于二极管具有箝位作用，所以，当VT1从饱和转为截止时，C01减缓电压变化率的作用不受影响;而当VT1从截止转为饱和时，C01的放电电流则能够被R01削弱。
实际的缓冲电路常在此基础上进行许多改进和补充，这里不再赘述。
(4) 输出端不允许接电源
图1-39 逆变电路与电源相接
逆变电路的输出端是绝对不允许和电源相接的，举例说明如图1-39所示。
假设在某一瞬间，电源电压为L1“＋”，L2“－”，在同一瞬间，恰值V3导通，则电流从L1经VD7、V3至L2，形成短路，V3管将立即损坏。V3和V6是交替导通的，中间只间隔几个微秒(μs)，所以，V6也随即损坏。又由于双极性调制时，V1、V3、V5工作时间的间隔也只有几个微秒，而L1与L2之间线电压的维持时间为10ms(50Hz时的半个周期)。所以，转瞬之间，6个逆变管将损坏殆尽。
因此之故，变频器主电路的输入端和输出端之间是绝对不能接错的。
(5) 输出端不能接电容
图1-40 输出端接电容
如图1-40所示，如果在逆变电路的输出端接入了电容器，则:当与直流电路“＋”端相接的逆变管(V1、V3、V5)导通时，逆变管将额外地增加了电容器的充电电流;而当与直流电路“－”端相接的逆变管(V4、V6、V2)导通时，逆变管将额外地增加了电容器的放电电流。由于充电电流和放电电流的峰值往往是很大的，所以，将影响逆变管的使用寿命。如电容器的容量较大时，甚至可使逆变管立即损坏。
所以，变频器的输出端是禁止接电容器的。
(6) 逆变模块的粗测
逆变模块包括IGBT管和与之反并联的二极管。它们的粗测方法介绍如下:
l IGBT管的粗测
根据IGBT的基本原理，在正常情况下，当把电池的“＋”端接发射极(E)，电池的“－”端接控制极(G)时，IGBT应处于截止状态，如图1-41(a)所示;反之，把电池的“＋”端接控制极(G)，电池的“－”端接发射极(E)时，IGBT应处于导通状态，如图1-41(b)所示。
图1-41 IGBT的粗测
如果符合上述规律，则大体上可以认为，该IGBT管是可用的。
测量时必须注意，因为IGBT管的G、E间是绝缘栅结构，所以，G、E间是不允许开路的。
l 反向二极管的粗测
与整流电路的粗测类似，首先也应记住模块各端子的符号，如图1-42(a)所示。今以鉴别VD12为例，说明如下:
图1-42 反并联二极管的粗测
由图1-42(a)可以看出，VD12在端子N和V之间，N端接二极管的正极，V端接负极。因此，在正常情况下，当万用表的黑表笔(电池正端)接端子“N”，而红表笔(电池负端)接端子“V”时，VD12处于导通状态;将两表笔交换，VD12应截止。
5.3 主体电路全貌见
主电路的全貌如图1-43所示。
图1-43 主电路全貌
由图知，从电路的角度看，整个电路分成了三个部分:
(1) 输入电路
即从电源输入到变频器的电路，电压为电源电压US，电流即变频器的输入电流IS;
(2) 直流电路
即整流滤波后的电路，电压为UD，电流为ID;
(3) 输出电路
即从变频器输出到电动机的电路，如上所述，输出电压UMX的大小随输出频率fX的大小而变，输出电流IM则取决于电动机的工况。
5.4 控制框图应了解
图1-44 变频器的控制框图
变频器的控制框图如图1-44所示，其中，主控电路相当于人的大脑，起着十分关键的作用，今就其主要功用介绍如下:
(1) 接受各种信号
主要有:
l 从键盘或外接输入端子输入的给定信号和控制信号;
l 从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的运行参数。
(2) 进行基本运算
主要有:
l 根据用户输入的频率给定信号，以及根据事先预置的U/f比，实时地计算出SPWM波形各切换点的切换时刻;
l 进行矢量控制运算或其他必要的运算。
(3) 输出计算结果
主要有:
l 把SPWM的调制信号输出至逆变模块的驱动电路，使逆变管根据要求进行逆变;
l 把需要显示的信号输出给显示器;
l 把用户通过功能预置所要求的状态信号输出给外接输出控制端子。
(4) 实施各项控制功能和保护功能
l 接受从键盘和外接输入端子输入的各种控制信号，进行起动、停止、升速、降速、点动等的控制;
l 接受从电压、电流采样电路以及其他传感器(如温度传感器)的信号，结合功能中预置的限值，进行比较和判断，如认为已经出现故障，则:立即封锁逆变管，使变频器中止输出;同时，向输出控制端输出报警信号，以及向显示器输出故障原因信号。
6 电流大小分三片
6.1 转矩平衡转速稳
(1) 拖动系统的转矩平衡
图1-45 拖动系统的转矩与转速
电力拖动系统是电动机带动生产机械(负载)作旋转运行(或直线运行)的运转系统，如图1-45所示。拖动系统的工作目标是要得到一定的转速，为此，电动机必须产生足够大的转矩，来克服生产机械的阻转矩。所以，拖动系统的转矩与转速之间，永远存在着如下的基本关系:
TM＞TL→nM(nL)↑，系统加速;
TM＜TL→nM(nL)↓，系统减速;
TM＝TL→nM(nL)＝C，系统等速稳定运行。
式中，TM—电动机产生的转矩，Nm;
TL—生产机械(负载)的阻转矩，Nm;
nM(nL)—系统的转速，r/min。
(2) 电动机的电流
假设:
l 负载的阻转矩TL不变;
l 电动机的磁通Φ保持不变。
则:
l 用来克服TL的电动机转矩TM不变;
l 由式(1-10)，电动机产生转矩的电流I2′(从而I1)也不变。
这里:在磁通Φ保持不变的前提下，电动机电流I1的大小是由负载轻重(即负载转矩TL的大小)决定的。
6.2 各处能量须守恒
(1) 功率的传递过程
图1-46 变频器各部分的电流
变频调速拖动系统的功率传递过程如图1-46所示。
从电源输入的三相电功率PS经交－直变换(整流)后成为直流电功率PD;又经直－交变换(逆变)后成为频率可调的三相电功率PM1;由电动机把电功率转换成机械功率PM2;又经传动机构传递给负载，成为负载所消耗的功率PL。
如果忽略掉各变换环节中的功率损失，则以上各部分的功率都是近似相等的:
PS≈PD≈PM1≈PM2≈PL (1-18)
(2) 各部分功率的计算
l 变频器的输入功率
PS＝
式中，PS─变频器的输入功率，kW;
US─电源线电压，V;
IS─电源线电流，A;
λ─功率因数，其含义详见后述。
l 直流回路电功率
PD＝UDID (1-20)
式中，PD─直流回路的功率，kW;
UD─直流回路电压，V;
ID─直流回路电流，A。
l 变频器的输出功率
也是电动机的输入功率，计算如下:
PM1＝
式中，PM1─变频器的输出功率，kW;
UX─变频器的输出线电压(与输出频率fX对
应)，也是电动机的输入线电压，V;
IM─变频器的输出线电流，也是电动机的输
入线电流，A;
cosφ1─电动机定子侧的功率因数。
l 电动机轴上的输出功率
PM2＝
式中，PM2─电动机轴上的输出功率，kW;
TM─电动机的转矩，Nm;
nMX─电动机在频率为fX时的转速，r/min。
l 负载功率
PL＝
式中，PL—负载得到的机械功率，kW;
TL─负载的阻转矩，Nm;
nLX─负载在频率为fX时的转速，r/min。
(3) 频率下降后各部分的功率
l 机械功率
频率下降后，电动机和负载的转速都同时下降:
负载功率 PL=[
电动机的输出功率 PM2=[
l 其他各部分的功率
由式(1-18)知，当频率下降时，各部分的功率也都同时下降:
PL↓→PM2↓→PM1↓→PD↓→PS↓
(4) 频率下降后各部分的电流
l 变频器的输出电流(即电动机的定子电流)
如上述，电动机的电流大小取决于负载转矩的大小，而与转速大小无关。
l 直流电流
在直流回路里，电压UD是不变的，但功率PD减小了，由式(1-20)，频率下降时，电流ID将减小:
ID=[
l 变频器的输入电流
变频器输入侧的电源电压US也是不变的，但输入功率PS减小了，由式(1-19)，频率下降时，电流IS也将减小:
IS＝［
(5) 结论
l 各部分的功率
当变频器的输出频率下降时，各部分的功率将同时下降，但导致功率下降的原因却各不相同:
◇电动机的输出功率和负载功率，是由于转速的下降而减小(转矩不变);
◇变频器的输出功率，是由于输出线电压的下降而减小(电流不变);
◇直流电功率，是由于电流减小而减小(直流电压不变);
◇变频器的输入功率，也是由于电流减小而减小(电源线电压不变)。
以上归纳，如图1-47所示。
图1-47 各部分功率与电流的关系
l 各部分的电流
当变频器的输出频率下降时，各部分的电流变化规律如下:
◇变频器的输出电流，其大小取决于负载转矩，与频率大小无直接关系;
◇直流电流，由于直流电压不变，电流大小随功率的减小而减小;
◇输入电流，由于电源电压不变，电流大小随功率的减小而减小。
