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变频器中的低频带载现象分析

2019/10/10
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阅读需 17 分钟
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今天我们要聊的与变频器有关,仅仅是其中很小的一部分——

低频带载相关的那些事儿~

关于变频器的优点这里就不多说了,太太常见了,今天我们主要聊聊关于变频器低频带载能力。我们都知道,通用变频器采用恒定的压频比控制,其目的是使得电动机的磁通保持一定。这样既不会因为磁通太弱而没能充分利用电动机的铁心形成浪费,也不会因为磁通过大而使绕组过热,从而保证了电动机的转矩、效率和功率因数等保持良好的性能。

01
恒压频控制

变频器调速时,保持电动机磁通不变的条件是

E1X/fX=const(恒定)

其中,fX 是运行频率;E1X 是此频率下,定子一相绕组的自感电动势

而实际上只能做到

U1X/fX=const,ku=kf

其中,U1X 为频率 fX 下定子侧电压(即变频器输出电压);

如下图所示,ku=kf,可以用 U/f 曲线来表示

这跟曲线表示电压和频率成正比,我们称为基本 U/f 曲线,表明了,变频器输出的最大电压为 380V,与最大电压对应的频率,称之为基本频率,用 fBA 表示。

需要注意,基本 U/f 曲线是满足上述第二个式子的曲线,并没有真正地满足第一个式子的条件。

根据电磁转矩的公式:TM=kMΦ1I2cosφ2

其中,电流是不允许超过额定电流值的,所以,带载能力的大小主要取决于磁通。在异步电机定子绕组电路里,U1X 和 E1X 之间的差别在于,定子绕组电阻抗上的电压降ΔU。

磁通大小可以表示为

Φ=k*E1X/fX=|U1X-ΔU|/fX

k 可以看出一个系数。这就是我们所说注意点的原因,并且,定子绕组电阻抗上的电压降是不随频率改变的。

所以,我们得到当电机以频率 fX 运行时,磁通的大小和以下几个因素有关:

①变频器的输出电压 U1X(也就是电动机的电源电压),U1X 越大,磁通也越大;

②电动机的负载轻重,负载越重,则电流越小,磁通将减小;

③电阻抗压降在电源电压中所占的比例,当频率下降时,变频器的输出电压也随之下降。如果负载转矩不变的话,电阻压降也时不变的,电阻压降在电源电压中的比例将会增大,也会导致磁通的减小。

02
低频运行时磁通的变化

在 ku=kf 的条件下,当频率下降时,电压将相应的下降。运行频率为 50HZ,对应的电压是 380V;假设电阻压降为 30V,那么反电动势便等于 350V,反电动势与频率的比值等于 7,这时的磁通应该是额定磁通,其相对值为 100%。

运行频率为 50HZ                              运行频率为 10HZ

当运行频率为 10HZ 时,在保证 ku=kf 的前提下,对应的电压为 76V,而电阻压降仍为 30V,则反电动势等于 46V,反电动势与频率的比值为 4.6,磁通的相对值变得只有 66%了。

可以看出,低频运行时,磁通将减小。所以在 ku=kf 的前提下,电动机的机械特性曲线如下:

频率下降时,理想空载点下移,但是机械特性的"硬度"基本不变,而临界转矩将会减小,也就是说其带负载能力将会下降,即低频带载能力变差。

03
转矩提升

如果低频运行时也能够得到额定磁通,只能通过加大变频器的输出电压来适当补偿电压,以此来增加磁通,从而增强电机在低频时的带载能力,我们称之为电压补偿,或转矩补偿,或者是转矩提升。具体如下图:

在频率 10HZ 的时候想要得到额定磁通,那么反电动势应该有 70V 才行,加上电阻压降 30V,则变频器的输出电压要达到 100V。即需要在原来的 76V 电压上再补上 24V。实际的 U/f 曲线如下图曲线②:

可见,运行频率不同时,电压的补偿量也是不一样的。在变频器中通常把 0HZ 对应的起点电压定义为电压 UC 的补偿量。

但是,补偿必须有所限制。如果转矩提升过大,便会导致变频器过流跳闸。一般来讲,Φ超过 110%,磁路就开始饱和了,超过 120%已经是过饱和了,励磁电流可见下图:

正常时的励磁电流                磁路饱和时的励磁电流

所以,在恒压频比控制方式下,变频器低频运行时,若要得到与额定状态下相同的带载能力,必须通过转矩提升来设定合理的补偿量,不能过分补偿。

总之就是,变频器的低频带载能力会变差,需要通过补偿来增强。今天的内容就是这样,希望你们能够喜欢~
 

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公众号“功率半导体那些事儿”主笔,热衷于功率半导体行业,并且从事相关工作,喜欢关于相关行业的各种信息,知识和应用。珍惜时光,自由在高处。