变频器的适应负载方式

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。比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”。（信息来源：www.55dianzi.com）

    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，我们可以总结出如表1所示的载波频率特性。

    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。

图2　下垂控制原理

3　下垂控制

（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。
　　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：a、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。b、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上升；m2的电磁转矩t2较大，下垂特性可使其转速较快下降。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。

图4　传送带下垂控制应用

　　还有如五台变频器驱动五台电动机的传送带，如图4所示，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。

（2）下垂参数设置
　　对于下垂控制而言，我们必须设置以下参数：
　　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，我们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。

　　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。

（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 

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