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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逆变电路
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:
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。
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”。
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
lIGBT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。
驱动电路基本上都已经模块化。
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。
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。
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:
lIGBT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
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
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:
从键盘或外接输入端子输入的给定信号和控制信号;
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
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;
进行矢量控制运算或其他必要的运算。
(3)输出计算结果
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;
把需要显示的信号输出给显示器;
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
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;
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常见误区—甩掉笨重的减速器
有人说,既然变频可以调速,原来笨重的减速器是否可以甩掉了?
例如,原来减速器的传动比λ=5,去掉减速器后只需使电动机运行在10Hz就可以了。
这种想法是有失偏颇的。
如图5-15(a)所示的实例,电动机数据是:
PMN=75kW,nMN=1450r/min。
负载侧的数据是:
nL=290r/min,TL=2305N·
m。
图5-15不要减速器
(1)从功率看
负载实际消耗的功率是:
PL==70kW<PMN
所以,在额定频率下运行时,是没有问题的。
但当电动机在10Hz的情况下运行时,其有效功率将减小为:
PMEX==15kW<<PL
以15kW的电动机带动70kW的负载,显然是不行的。
(2)从转矩看
在有减速器的情况下,负载转矩的折算值是:
TL’==461N·
m<TMN
电动机能够带动负载运行。
当去掉减速器后,电动机将直接带动负载,而电动机的额定转矩是:
TMN==494N·
m<<TL
可见,去掉减速器后,电动机是带不动负载的,如图5-15(b)所示。
7常见误区—通过增加工作频率来提高劳动生产率
有的工厂希望通过加大工作频率来提高劳动生产率,例如,把工作频率提高到60Hz,使电动机的转速增加为1740r/min,负载的转速增大为348r/min。
这种想法同样是需要推敲的,如图5-17所示:
图5-17增加工作频率
当负载的转速提高为348r/min后,它所消耗的功率将增大为:
PL’==84kW>PMN
就是说,提速后负载消耗的功率将超过电动机的额定功率,电动机将过载。
电动机的工作频率升高为60Hz后,其有效转矩将减小为:
TME=484×
=403N·
m<TL’
可见,电动机将带不动负载。
电动机的额定转矩与额定转速的关系
拖动系统即使满足了功率方面的要求,也并不等于在转矩方面也满足要求。
在额定功率相同的情况下,电动机额定转矩的大小是和额定转速有关的:
电动机的额定转矩是和额定转速成反比的。
因此,在额定功率相同的情况下,不同磁极对数电动机的额定转矩是不相等的。
以75kW电动机为例,不同磁极对数电动机的额定转矩如表5-1所示。
表5-175kW电动机不同磁极对数的额定转矩
因此,仅仅满足功率的条件,电动机也并不一定能带得动负载。
例1:
某机械,原用电动机数据:
75kW,980r/min。
因机座较大,不便操作。
故改用75kW,1480r/min的电动机,上限频率为33Hz。
结果,电动机很快就冒烟了……。
如表5-1所示,75kW,980r/min电动机的额定转矩是TMN1=731N·
m,而75kW,1480r/min电动机的额定转矩是TMN2=484N·
m,只有原来的66%,过载达150%。
所以,用同容量4极电动机取代6极电动机的做法是错误的。
例2:
某排粉机,原来用三相整流子电动机,容量:
160/53.3kW,电流:
285/175A,转速:
1050/350r/min,负荷率约为γ≈82%。
改造为普通电动机变频调速时选用的电动机数据:
160kW,275A,1480r/min。
运行情况:
转速为1050r/min时,电动机过载,电流达316A。
·
问题的关键
电动机的额定转矩不符
原电动机的额定转矩是:
TMN0===1455N·
m
实际的负载转矩是:
TL=γTMN0=0.82×
1455=1193N·
改造后电动机的额定转矩是:
TMN1==1032N·
m<TL
改造后电动机的负荷率达:
γ==116%
所以,工作电流偏大是正常的。
解决办法
改用6极电动机:
160kW,297A,980r/min
TMN2==1559N·
因为原电动机的最高转速是1050r/min,故改用6极电动机时的最高工作频率是:
fX=50×
=53.6Hz
因为在额定频率以上运行时,电动机的有效转矩要减小。
所以,应校核电动机在53.6Hz时的有效转矩:
TME=1559×
=1454N·
m>TL
说明是可用的。
当用变频调速系统取代其他电动机调速系统时,不能只注意电动机的容量,而必须同时校验电动机的容量和转矩。
考虑传动比
电动机能不能带得动负载,还和传动机构的传动比有关。
当传动比λ较小时,负载的折算转矩较大,电动机的负荷率也较大,如图5-19(a)所示;
反之,当传动比λ较大时,负载的折算转矩较小,电动机的负荷率也较小,如图5-19(b)所示。
图5-19减小传动比
常见误区
(1)通过减小传动比来提高劳动生产率
有的工厂打算通过减小传动比来提高劳动生产率,例如,把传动比减小为λ=4,使负载的转速增大为370r/min。
这种想法忽视了传动比对转矩的变换作用。
从转矩看
如图5-19,原来电动机的负荷率是:
γ==0.93
传动比减小为λ=4后,负载转矩的折算值将增大:
TL’==576N·
电动机的负荷率增大为:
γ’==1.19
显然,电动机将过载。
从功率看
当负载的转速提高为370r/min后,它所消耗的功率将增大为:
PL’==87.5kW>PMN
同样,提速后负载消耗的功率将超过电动机的额定功率,电动机将过载。
(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/min,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。
基本分析
因为电动机的最高工作频率是42Hz,这时电动机的有效容量为:
PMX=PMN×
=5.5×
=4.6kW
因为实测电流与额定电流十分接近,故可以认为,这基本上等于负载功率。
如果适当加大传动比,使电动机的工作频率上升至50Hz左右,则:
从容量上看,电动机的有效容量等于额定容量,大于负载功率,具有了一定的裕量。
从转矩上看,加大了传动比后,可以减轻电动机轴上的负荷率,减小电动机的运行电流。
具体计算
由电动机的额定数据:
PMN=5.5kW,nMN=1440r/min,算出电动机的额定转矩如下:
TMN===36.5N·
因为λ=5,故求出负载侧转矩为:
TL=TMNλ=36.5×
5=182.5Nm
根据运行情况,满载时电动机的负荷率为σA=100%。
如将传动比增大为λ’=6,则负载转矩的折算值为:
TL’===30.4N·
电动机轴上的负荷率为:
σA===83.3%
显然,可以减轻电动机的负载。
但在这时,上限工作频率应调整为:
fH’=fH=42×
=50.4Hz
即工作频率的范围是:
25.2~50.4Hz。
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