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李方园（1973－）

男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。

   

    变频器拖动负载的效果必须符合用户的要求和环境的需要，但是由于负载的多样性、环境的千变万化，变频器还必须设置相应的参数来保证变频器能适应这些负载的要求。如要求风机水泵类负载能够在长期运行中自动节能运行、要求电动机静音运行以满足楼宇控制的需要、要求消除电动机或者机械设备之间的共振现象等等。

    本节内容就是介绍了变频器一些具体的适应负载方式。

1 自动转差补偿功能

    电动机负载转矩的变化将影响到电动机运行转差，导致电动机速度变化。通过转差补偿，根据电动机负载转矩自动调整变频器的输出频率，可减小电动机随负载变化而引起的转速变化，如图1所示。

      

                                     图1   自动转差补偿功能

    转差补偿功能参数的设置主要有以下原则：（1）当电动机处于发电状态时，即实际转速高于给定速度时，逐步提高补偿增益；（2）当电动机处于电动状态时，即实际转速低于给定转速时，逐步提高补偿增益；（3）转差补偿的调节范围为转差补偿限定值与额定转差值的乘积；（4）自动转差补偿量的大小与电动机的额定转差相关，应正确设定电动机的额定转差值。

    这里给出了电动机额定转差频率的计算公式：

    额定转差频率＝电动机额定频率 × （电动机同步转速－电动机额定转速）÷ 电动机同步转速

    式中，电动机同步转速＝电动机额定频率 × 120 ÷ 电动机极数。

2 载波频率的调整

    变频器的信号调制是脉宽调制，其基本方法是：对输出的电压脉冲波，其脉冲的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交点所决定的。在这里，正弦波称为调制波，三角波称为载波，三角波的频率就是载波频率。

    在PWM电压脉冲波序列的作用下，电流波形是脉动的，脉动频率与载波频率一致，脉动电流将使电动机铁心的硅钢片之间产生电磁力并引起振动，产生电磁噪声。改变载波频率时，电磁噪声的音调也将发生变化，所以，一些变频器对于调节载波频率的功能，称为“音调调节功能”。

    载波频率越高，因线路相互之间，以及线路与地之间分布电容的容抗越小，由高频脉冲电压引起的漏电流越大。

    载波频率对其他设备的干扰主要是由于高频电压和高频电流引起的。载波频率越高，则高频电压通过静电感应对其他设备的干扰也就越严重；高频电流产生的高频磁场将通过电磁感应对其他设备的控制线路产生干扰；高频电磁场具有强大的辐射能量，使通讯设备等易产生扰动信号。

    因此，可以总结出以下载波频率特性（见表1）。

                               表1   加减速时间的切换

         
    在上述三个因素中，电动机噪声是最直接的、最明显的，尤其是在楼宇控制中，为此有些变频器还提供了“柔声载波频率”，即在变频器运行过程中，能自动地变换载波频率，使电磁噪声变成具有一定音调的较为柔和的声音；有些变频器提供了“电动机音调调节”，同样可以改变电动机运行时的音调。

    如果在上述因素不对变频器造成任何影响的情况下，用户可以选择载波频率自动调整功能，此时变频器能够根据机内温度等自动调整载波频率，并在变频器实际最高工作载波频率（用户可以设定）内选择一个最优值。

3 下垂控制

3.1 基本概念

    下垂控制，是负转差补偿的一种，是专用于多台变频器驱动同一负载的场合，以使多台变频器达到负荷的均匀分配。当多台变频器驱动同一负载时，因速度不同造成负荷分配不均衡，使速度较快的变频器承受较重的负载，有了下垂控制特性后，随着负载的增加可以使电动机速度下垂变化，最终使负荷均一、分散。图2是下垂控制动作后负载与输出频率的关系。

                                        图2   下垂控制原理

    例如，桥式起重机的“大车”，通常在两侧各设一台容量相同的电动机，由该两台电动机同时拖动。在这种情况下，非但要求两台电动机的转速同步，而且要求它们的负荷分配尽量均衡。解决上述问题的常用方法，就是使电动机具有“下垂特性”。
   
                   (a)自然特性                               (b)下垂特性

                                 图3   起重机的下垂控制

    假设电动机M1的转速偏高，为n1；而电动机M2的转速偏低，为n2。比较图3a和图3b可以看出：① 具有下垂特性时，两台电动机所承担负荷（T1和T2）之间的差异较小。② 比较容易自动协调两台电动机的转速和负荷分配，M1的电磁转矩T1较小，下垂特性可使其转速较快下降；M2的电磁转矩T2较大，下垂特性可使其转速较快上升。可见，下垂特性能够较容易地使两台电动机的转速趋于同步，而负荷分配也趋于均衡。

    还有如五台变频器驱动五台电动机的传送带（见图4），当某台变频器的负载较重时，该变频器就根据下垂控制功能设定的参数，自动降低输出频率，以卸掉部分负载。

    

                              图4   传送带下垂控制应用

3.2 下垂参数设置

    对于下垂控制，必须设置以下参数：

    (1) 下垂频率变化率

    由于不同机械对于下垂特性的“下垂度”的要求也往往各不相同。为了满足不同用户的不同要求，变频器可以通过设置“下垂频率变化率”，得到所要求的下垂特性曲线。

    在实际调试中，可以观察由小到大逐渐调整下垂频率变化率值时的变频器输出频率与负载的关系，直到达到负荷平衡为止。

    (2) 下垂死区

    为了防止两台电动机在自动调整过程中出现转速上下波动的振荡现象，有的变频器（如日本东芝VF-A7系列）还具有设置“死区”的功能。就是说，允许两台电动机在一个小范围内有所差异。根据负载性质的不同，变频器可以预置两种死区：①转矩死区，即允许两台电动机在相同的转速下，负荷的分配不完全均衡，而存在较小的转矩差异（ΔT），如图5c中所示。②转速死区，即允许两台电动机在转矩相同的情况下，它们的转速不完全一致，存在转速差异（Δn），如图5d中所示。

     

                                    图5   下垂参数设置
　　               (a) 下垂机械特性   (b) 不同下垂频率变化率的机械特性
　　               (c) 具有转矩死区的特性   (d) 具有转速死区的特性

4 共振预防

    任何设备在运转过程中，都或多或少会产生振动。每台设备又都有一个固有振荡频率，它取决于设备本身的结构。由于变频器是通过改变电动机的工作频率来改变电动机转速来进行工作的，这就有可能在某一电动机转速下与负荷轴系的共振点、共振频率重合，造成负荷轴系因发生谐振而变得十分强烈以及不能容忍的振动，有时会造成设备停运或设备损坏，因此必须根据负荷轴系（或生产设备）的共振频率，通过共振预防，来避免系统发生此类现象。

    为了预防谐振和共振，变频器都设置有跳跃频率，其目的就是使电动机拖动系统回避掉可能引起谐振的转速，或者说让变频器的输出频率跳过该频率区域。变频器的设定频率按照图中的方式可以在某些频率点做跳跃运行，一般可以定义三个跳跃频率及每一个跳跃范围，如跳跃频率f1、f2、f3及跳跃范围1、跳跃范围2、跳跃范围3。从图6中可以看出，对共振点的处理变频器是采取滞回曲线的方式进行频率升降的。

     
                              图6   共振回避和跳跃频率

    对于共振预防必须引起足够的重视，尤其是在改造设备的过程中，在某些频率点出现机械共振，其原因是原来设备只是在50Hz工频下运行，使用变频调速后，其频率则在0～50Hz之间无级变化，因此在某些频率点上会造成机械共振。

    另外，对于变频器带变压器负载情况下，也会可能造成谐振，变频器会发出异常声响，空载也会烧毁，此时变频器需要调节的参数是载波频率，而不是跳跃频率。

5 过压失速和自动限流

5.1 过压失速功能

    变频器在减速运行过程中，由于负载惯性的影响，可能会出现电动机转速的实际下降率低于输出频率的下降率，此时电动机会回馈电能给变频器，造成变频器直流母线电压的升高，如果不采取措施，则会出现过压跳闸。

    过压失速保护功能在变频器减速运行过程中通过检测母线电压，并与失速过压点进行比较，如果超过失速过压点，变频器输出频率停止下降，当再次检测母线电压低于失速过压点后，再实施减速运行。

5.2 自动限流功能

    自动限流功能是通过对负载电流的实时控制，自动限定其不超过设定的自动限流水平，以防止电流过冲而引起的故障跳闸，对于一些惯量较大或变化剧烈的负载场合，该功能尤其适用。

    自动限流功能需定义的参数包括自动限流水平和限流时频率下降率。自动限流水平定义了自动限流动作的电流阈值，其设定范围是相对于变频器额定电流的百分比。限流时频率下降率定义了自动限流动作时对输出频率进行调整的速率。自动限流时，频率下降率的数值设置过小，则不易摆脱自动限流状态而可能导致最终过载故障；若频率下降率的数值设置过大，则频率调整程度加剧，变频器长时间处于发电状态导致过压保护。

    在自动限流动作时，输出频率可能会有所变化，所以对于恒速运行时输出频率较稳定的场合，不宜使用自动限流功能。

6 电动机热过载

6.1 基本概念

    电动机过载的基本特征是实际温升超过额定温升。因此，对电动机进行过载保护的目的也是为了确保电动机能够正常运行，不因过热而烧毁。

    电动机在运行时，其损耗功率（主要是铜耗）必然要转换成热能，使电动机的温度升高。电动机的发热过程属于热平衡的过渡过程，其基本规律类似于常见的指数曲线上升（或下降）规律。其物理意义在于：由于电动机在温度升高的同时，必然要向周围散热，温升越大，散热也越快，故温升不能按线性规律上升，而是越升越慢；当电动机产生的热量与发散的热量平衡时，此时的温升为额定温升。

    异步电动机的制造标准按照最高允许温升定义了不同级别的类型，具体为：A级105℃、E级120℃、B级130℃、F级155℃、H级180℃。

    电动机过载是指电动机轴上的机械负载过重，使电动机的运行电流超过了额定值，并导致其温升也超过了额定值。电动机一般过载的主要特点是：(1) 电流上升的幅度不大。因为在电动机选型设计时一般都充分考虑了负载的最大使用电流并按电动机最大温升情况进行设计的，对于某些变动负载和断续负载，短时间的过载是允许的。因此，正常情况下的过载电流幅值不会很大。(2) 一般情况下，电流的变化率di/dt较小，上升较缓慢。

6.2 热过载曲线

    电动机的过载保护具有反时限特性，即电动机的运行电流越大，保护动作的时间越短，如图7所示。

     
                               图7   变频器的过载保护曲线

    例如，当电动机的运行电流值为额定电流的150％时，可维持运行十几分钟或数十分钟；当电动机的运行电流值为额定电流的200％时，可维持运行1分钟；当电动机的运行电流值为额定电流的250％时，仅可维持运行几秒钟。

    当负载电动机的容量低于变频器额定容量时，亦可用此功能进行热过载保护。由于变频器选配电动机功率大小的差异，因此为了对所配电动机进行有效的过载保护，有必要对变频器的允许输出电流的最大值进行调整，在图7中，可以看到电动机过载保护系数设为80％时的曲线。

    电动机过载保护系数可由下面的公式确定：

    电动机过载保护系数值＝允许最大负载电流 ÷ 变频器的额定输出电流 × 100％

    在一般情况下，定义允许最大负载电流为负载电动机的额定电流。

    这里值得注意的是：在一台变频器拖动多台电动机时，此功能不一定有效。

6.3 热过载报警参数

    对电动机热过载的监视并报警、故障是变频器适应负载的重要方式之一，它能在电动机温升超过设定值时马上切断输出频率，很大程度上预防了电动机的烧毁现象。图8所示为电动机过载预报警检出功能示意图。

    在图8中，过载预报警检出水平定义了过载预报警动作的电动机电流阈值，其设定范围是相对于额定电流的百分比；过载预报警检出时间定义了过载预报警检出必须经过过载预报警状态下有效的时间；过载预报警状态有效即变频器工作电流超过过载检出水平，并且保持的时间超过过载检出时间。

     
                         图8   电动机过载预报警检出功能示意图

    在一般情况下，过载预报警检出水平的设置应小于过载保护水平，在过载预报警检出时间内，工作电流小于过载预报警检出水平后，机内的过载预报警检出时间重新计时。

    对于过载预报警检测功能，可以通过相关的参数选择：（1）过载预报警检测区域是一直有效还是仅在恒速运行时检测，由于变频器在拖动某些负载时加减速时电流会比较大，可以通过本参数来筛选检测区域；（2）过载预报警动作是报警停机还是不报警且继续运行，这取决于负载的情况，但最终真正过载时，变频器就会报故障。

6.4 变频电动机和普通电动机的过载

    普通电动机在低速运行时，其风叶的速度也变慢，因此散热效果变差，温度升高会使电动机的寿命降低。在此时，如果能够对电动机过载设定值进行重新调整降能很好地保护电动机，所以在变频器的过载方式中都会提供选择低速补偿的方式，最简单的办法就是选择电动机的种类，即普通电动机还是变频电动机。

    选择普通电动机方式的，变频器就会自动进行低速补偿，即把运行频率低于30Hz的电动机过载保护阈值下调。这个30Hz就是电动机过载功能的转折频率。在一般情况下，转折频率可按基本频率的60％～70％来设置，同时应该考虑到负载的类型（恒转矩负载和变转矩负载）来设置转折频率时的过载系数、零频时的过载系数。

    选择变频电动机，则由于变频专用电动机采用强制风冷形式，因此电动机的散热不受转速影响，不需要进行低速过载时的保护值调整。

7 其他适应负载功能

    除此之外，为了适应不同负载和环境的需要，变频器通常还具有以下功能：

7.1 自动节能运行

    自动节能运行，是指电动机在空载或轻载运行的过程中，通过检测负载电流，适当调整输出电压，达到节能的目的。

    该功能对风机泵类负载尤其有效，它可以使电动机在保证正常工作的同时，变频器能准确地根据电动机的实际负荷为电动机提供最低的电量，能最大程度上节约电能4～8%。

7.2 电动机稳定因子

    变频器与电动机配合时，有时会产生电流振荡，修改电动机稳定因子可以抑制两者配合所产生的固有振荡若恒定负载（如齿轮箱传动等）运行时输出电流反复变化，在出厂参数的基础上调节该功能码的大小可消除振荡，使电机平稳运行。

7.3 自动电压调节功能

    当输入电压偏离额定值时，通过变频器的自动电压调节功能（AVR）可保持输出电压恒定，尤其在输入电压高于额定值时。

7.4 过调制功能

    在长期低电网电压（额定电压－15％以下），或者长期重载工作的情况下，变频器通过提高自身母线电压的利用率，来提高输出电压，这就是过调制功能。过调制功能起作用时，输出电流谐波会略有增加。

7.5 瞬停不停功能

    瞬停不停功能用于定义在电压下降或者瞬时欠压时，变频器是否自动进行低电压补偿。适当降低频率，通过负载回馈能量，维持变频器不跳闸运行。

   使用本功能时，还需定义电压补偿时的频率下降率。如果电压补偿时的频率下降率设置过大时，负载瞬时回馈能量亦很大，可能引起过电压保护；如果该值设置过小，则负载回馈能量就过小，就起不到低电压补偿的作用。因此，调整频率下降率参数时，需根据负载转矩惯量及负载轻重合理选择。

    如图9所示为变频器在40Hz时瞬时掉电的瞬停不停功能，在额定负载时进线电压瞬间中断，直流母线电压降到最低极限值。通过瞬停不停功能，变频器通过降低负载的频率以发电动机模式来运行电动机，并以此提供能量给变频器。只要电动机具有足够的动能，电动机速度虽然下降，但变频器仍会继续工作，一旦进线电压恢复，变频器立即可以投入运行。

     

                                    图9   瞬停不停示意
　                   　UDC：变频器直流母线电压  Umains：进线电压
　                 　TM：电动机转矩        fout：变频器的输出频率

7.6 前馈控制功能

    对于机械刚性较低的负载，不能提高速度控制器ASR的增益时，也能提高加减速时的响应性，减低过冲击振动，这就是前馈控制功能。在使用本功能时可以设定负载与电机的惯性比和电机单机的加速时间。所谓电机电机加速时间，就是电机加速到额定转矩、额定转速所需要的时间。负载与电机的惯性比就是正反馈控制的比例增益，其值越大，速度指令响应性也越高。
　　
参考文献：

[1] 李方园. 变频器行业应用实践[M]. 中国电力出版社,2006.

[2] 李方园. 变频器自动化工程实践[M]. 电子工业出版社,2007.

[3] 张燕宾,胡纲衡,唐瑞球. 使用变频调速技术培训教程[M]. 机械工业出版社,2004.

[4] 吴忠智,吴加林. 变频器应用手册（第2版）[M]. 机械工业出版社,2003.

[5] 吴忠智,黄立培,吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南[M]机械工业出版社,2002.