变频器应用的问题

变频器应用的问题

变频器应用中的几个问题:

关于制动电阻的选择， 也是读者询问得较多的一个问题， 归纳起来， 大致有以下三个方面:(1)各种资料对于准确计算制动电阻的方法比较一致或接

近， 但不易计算， 尤其是难以得到拖动系统的飞轮力矩(GD2)的数据;(2)各种资料介绍的近似算法的计算结果不大一致， 难以适从;(3)按照说明书配置

的制动电阻， 也会冒烟或烧坏， 不知何故？

1 基础知识

1.1 变频调速系统的降速过程

众所周知， 在变频调速系统中， 电动机是通过不断地降低频率来减速的。

随着频率的下降， 同步转速(旋转磁场的转速)也下降， 电动机转子的实际转速超过了 同步转速， 转子绕组因正方向切割磁力线而处于再生制动状态。

再生的电能反馈给直流回路， 产生泵升电压。

从机械特性上看， 通过降低频率而减速的过程如图 1 所示。

(1) 降速前的工作状态

假设降速前拖动系统的运行频率是 f1， 电动机的机械特性为曲线 ; ① 负载为恒转矩性质， 阻转矩为 TL(为简便起见， 假设 TL 中已包括损耗转矩在内)。

这时， 工作点为 Q 点， 电动机的电磁转矩 TM 与负载转矩 TL 相平衡:TM＝TL。

(2) 拖动系统的降速过程

首先， 频率下降为 f2， 机械特性变为曲线②， 由于在频率刚下降的瞬间，拖动系统的转速因惯性而尚未改变， 故工作点跳变到曲线②的 Q1'点， 进入第二象限， 电动机处于再生状态， 电磁转矩为“－”值， 拖动系统的转速延曲线②下降;

当下降到第一象限的 Q1"点时， 频率又下降为 f3， 机械特性变为曲线③，工作点跳变到 Q2'点， 再一次进入第二象限， ……。

以此类推。

图 1 所示的过程是被大大地放大了的， 实际每两档频率之间的间隔要小得多。

从以上的降速过程可以看出， 每次频率下降时， 电动机只有部分时间处于再生制动状态， 如图中阴影部分所示。 所以， 反馈到直流电路的电压是脉

冲式的， 这就是被称为“泵升电压” 的原因。

1.2 与泵升电压有关的因素

泵升电压的大小取决于转子绕组(鼠笼条)正方向切割磁力线的速度。 具体地说， 这取决于当频率(从而同步转速)下降时， 转子能否及时地跟随频率一起

下降。 从机械特性上看， 则取决于每次频率变换时转折点的位置， 如图中之 Q1"、 Q2"、 Q3"……。

但变频器在频率下降过程中， 每两档频率之间的差是恒定的， 因此泵升电压的大小主要与下列因素有关:

(1) 拖动系统的飞轮力矩 GD2

飞轮力矩大， 则拖动系统的实际转速将因惯性大而下降得比较缓慢， 频率变换时转折点的位置将左移， 使泵升电压增大。

(2)降速时间 tB

降速时间越短， 则频率下降越快， 拖动系统的实际转速还没来得及下降多少， 给定频率却又下降了 ， 结果， 频率变换时转折点的位置也左移， 使泵升电压增大。

在实际工作中， 降速的快慢可以看成是一个和惯性大小相关的相对概念。

例如， 降速时间预置为 10s， 对于一个惯性较大的系统来说， 可能是太快了;

但在惯性较小的系统中， 则显然是太慢了 。 以这样的认识为基础， 则降速快慢与泵升电压的关系如图 2 所示:如预置的降速时间较长， 如图中(a)所示，则频率变换时转折点的位置右移， 如图中(b)所示。 其结果是泵升电压较小，达不到直流电压的上限值， 如图中(c)所示。 反之， 如预置的降速时间较短，如图中(d)那样， 则频率变换时转折点的位置左移， 如图中(e)所示。 其结果是泵升电压增大， 超过了直流电压的上限值， 如图中(f)所示。

1.3 损耗转矩

拖动系统里存在着各种各样的损失， 如磨擦损失、 通风损失等等， 这些损失构成的损耗转矩将帮助拖动系统降速。 从能量的观点讲， 这些损失要消

耗功率， 在电动机处于再生状态时， 消耗的是再生功率， 从而抑制泵升电压的增加。 据一般估计， 损耗转矩约为电动机额定转矩的 20%。 也就是说，损失功率能产生约 20%TMN(电动机的额定转矩)的制动转矩。 当系统的惯性很小或降速时间很长时， 整个降速过程都是在电动机状态下进行， 如图 3中(b)所示。 因此， 泵升电压为 0， 直流电压稳定在额定值 UDN。 图中(d)所示是直流电压的测试点。

2 制动电阻的准确计算

2.1 准确计算制动电阻的依据

(1) 拖动系统对降速过程的要求

(a)预置的降速时间 (b)降速过程(c)泵升电压为 0 (d)电路的测试点

td─转速从 n1 降至 n2 所需的时间， s;

TL'─负载阻转矩的折算值， N•ｍ。

(2) 制动电阻的计算值

在计算制动电阻时， TB 中应把损耗转矩(20%TMN)减去。 根 (3)

式中:RB─制动电阻的计算值， Ω;

UDH─直流回路电压的允许上限值， V;

TMN─电动机的额定转矩,N•ｍ。

在计算式(3)时， 需要说明的是:

① 关于直流电压的上限值 UDH

在三相线电压为 380V 的情况下， 根据国家对电压波动上限值的规定， 有:UDH≥380×√2×1.2=645V

但大多数变频器中， 对于制动单元的动作电压， 均取 UDH=700V。

② 关于降速前的电动机转速 nM1

生产机械在运行过程中， nM1 常常是变化的， 是不大可能确定的。 在实际计算中， 可以用电动机的额定转速 nMN 代入。

3 制动电阻的近似计算

上面介绍的计算制动电阻的方法虽然比较准确， 但也相当麻烦。 从实际应用角度看， 必要性也不大。 因此， 许多变频器的使用说明书上给出了 一些近似计算的方法， 也有的直接提供了 供用户选用的制动电阻的规格。 下面介绍几种主要的近似计算法。

3.1 近似计算方法

笔者搜集到的较有代表性的近似计算方法主要有以下几种:

方法 1 (见于 VLT5000 变频器(丹麦丹佛斯)说明书) (4)式中:PMN─电动机的额定容量;常数“478801”是按 UDH＝850V 计算而确定

的， 如要减小 UDH 值， 可按比例减小。

根据式(4)计算结果选用制动电阻时， 所得制动转矩 TB 为:TB≈1.6PMN (5)

方法 2 (见于明电 VT230S 变频器(日本)说明书) (6)

式中:常数“593”是针对 400V 级别变频器的;TB 是所需要的制动转矩。

方法 3 (根据各说明书提供的数据统计而得)

当通过制动电阻的电流等于电动机额定电流的 50%时， 所得到的制动转矩约等于电动机的额定转矩， 归纳如下:

则 TB≈TMN (9)

3.2 制动电阻的取值范围

各变频器生产厂家为了 减少制动电阻的阻值档次， 常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值的制动电阻。 因此， 在制动过程中所得到的制动转

矩的差异是较大的。

(1) 制动转矩的取值范围

TB＝(0.8～2.0)TMN (10)

(2) 制动电阻的取值范围

由此也可看出， 制动电阻的大小是允许在一定范围内变动的。

γ B 值的取值大致如图 6 中(b)所示， 这实际上是图 5 所示的电阻温升曲线的倒置。 由图可以看出:

① 如降速时间 tB＜0.3ｓ ， 则取 γB＝11;

② 如降速时间 0.3ｓ ＜tB＜20ｓ ， 则 γB 的取值基本上是按比例下降的。 这是因为， 在这样短的时间内， 电阻的温升基本上按线性规律上升的;

③ 如降速时间 tB＞20ｓ ， 由于电阻的温升曲线开始接近于稳定温升， 故 γB的取值减小得比较缓慢。

2) 反复降速时 γB 的取值

反复降速的工况如图 7 中(ａ )所示， 拖动系统的升速与降速是反复进行的。

设: tB─每次降速所需时间,

tC─每个降速周期所需时间，

则:

① 如 tB/tC≤0.01， 取 γB＝5;

② 如 0.01＜tB/tC＜0.03， γB 基本上按比例下降;

③ 如 tB/tC＞0.03， γB 的取值开始缓慢地减小。

(4) 粗略修正

根据各变频器说明书所提供相关数据的统计结果， 则γ B 的取值范围大致如下:

PMN≤18.5kW─→γB＝5～9

PMN≥22kW─→γB＝2.5～4

5 按照说明书选择制动电阻时的注意事项

如上述， 变频器生产厂为了 减少制动电阻的系列， 常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻。 例如， 安圣 TD3000 系列变频器说明书中， 对于配用电动机容(a)不反复降速的含义 (b)γB 的取值要求的。

对于同一档次中电动机容量较大者 制动电阻相同的情况下， 电动机容量较大者， 制动转矩与额定转矩的比值相对偏小。 在一些飞轮力矩较大， 又要

求快速制动的场合， 或者如起重机械那样需要释放位能的场合， 上述制动电阻有可能满足不了要求， 可考虑选择阻值较小一档的制动电阻。

例如， 当电动机的容量为 37kW 时， 如需要增大制动转矩， 可选择 10Ω 的制动电阻， 则:

IB＝70A≈IMN─→TB≈2TMN， 制动转矩是足够大的。

5.2 关于电阻容量的调整

(1) 修正系数的计算

电阻的通电功率 由式(14):(2) 对修正系数的修正

不反复降速的场合 根据图 6 中(b)所示曲线， 如降速时间 tB＜8ｓ ， 则 γB＝8.17 是可用的。 在大多数情况下， 8ｓ 的降速时间是足够的。

反复降速的场合 根据图 7 中(b)所示曲线， 当 γB＝8.17 时， 只能用于 tB/tC＜0.01 的情况下。 在实际工作中， 可以这样推算:首先估计每次降速所需时间， 设 tB＝4ｓ ， 则只要每个周期的时间 tC＜400ｓ ＝6.7min， 便是可用的。

在多数工况下， 这是足够的。 但对于某些需要频繁点动的场合， 则有必要另行估算了。

起重机械下放重物的场合 起重机械在下放重物的整个过程中， 电动机一直处于再生制动状态， 故制动电阻的运行时间将较长， 通常取:γB＝1。

(3) 必要的说明

图 5 中(b)和图 6 中(b)所示曲线是根据日本安川电机编写的《变频拖动技术》一书中提供的曲线改画而得。 原书中的坐标为指数坐标系， 指数函数(温升曲线)在指数坐标系里所得曲线为直线。 笔者以为， 那种画法虽然图形变得匀称了， 但就观察 γB 的变化趋势而言， 却很不直观， 且往往容易被误解，故改画成均匀坐标系的曲线。 根据笔者的实践经验， 认为该曲线是比较准确的。

由于准确计算比较麻烦， 且对制动电阻容量的计算， 并不要求十分精确，故有的书上为了简便起见， γ B 往往取值一个常用值， 如 γB＝5(见日本久保岛毅主编的《变频器实用指导》 一书)。 但上面的例子说明， 在处理实际问题时， 常常有必要作比较深入的思考。