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变频器应用中的几个问题（一）
变频器应用中的几个问题（一）
众所周知，交－直－交、电压型变频器中，每个逆变管旁边，都要反并联一个二极管，如图1(a)中之VD7～VD12所示。

 

图1　电压型变频器的逆变电路

  逆变电路实际输出线电压的波形是经过SPWM调制后的高频脉冲系列，如图1(b)所示。但就宏观效果而言，它和图1(c)所示的正弦波是等效的。因此，在分析过程中，为了便于理解，把逆变电路的输出线电压就看成是图1(c)所示的正弦电压。
1.1 电动机状态的工况
  假设，电动机带动一个起升机构向下运行，如图2(a)所示。
  当吊钩处于空钩状态时，吊钩的自身重量不足以向下运行，必须由电动机来带动。故电动机处于电动状态。
  这时，电动机转子的转速低于同步转速(旋转磁场的转速)，转子绕组以和磁场旋转的相反方向切割磁力线，所产生的电磁转矩方向和磁场旋转方向相同，是带动吊钩下降的，如图2(a)所示。

图2　 电动机工作在电动状态

  根据磁动势平衡的原理，电动机的定子电流

由转子等效电流
和励磁电流
合成:
(1)
  其矢量图如图2(b)所示。由图知，定子电流将滞后于电压φ1角(电角度)，瞬时值的变化曲线则如图2(d)所示。
  由图2(d)知，在t1区间，电源电压为“＋”，而电流为“－”。这说明，电流的方向和电压是相反的。事实上，在t1时间内，电流是电动机的反电动势克服了电源电压而形成的。电流在反电动势的作用下，经反并联二极管流向直流电路，是反电动势在作功。
  在t2区间，电源电压和电流都为“＋”。这说明，电流的方向和电压是相同的。就是说，在t2时间内，电流是电源电压克服了电动机的反电动势而形成的。电流是在电源电压的作用下，经逆变管流向电动机的，是电源电压在作功。
  因为t1＜t2，所以，总的来说，平均功率为“＋”，是电源在作功。
1.2 励磁状态的工况
  当吊钩带着一定的重物下降时，重物本身的重力加速度将使转子的转速加快，如果该重物的重量，恰好使转子的转速加快到等于同步转速，转子绕组将不切割磁力线，转子电流为0，如图3(a)所示。

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图3　 电动机工作在励磁状态

  这时，定子绕组中只有产生旋转磁场的励磁电流，其矢量图如图3(b)所示。励磁电流与电压间的相位差角为π/2，故电流与电压方向相异的时间和相同的时间相等(t1＝t2)，如图3(d)所示。就是说，有一半时间是电动机的反电动势克服电源电压而作功，电流经反并联二极管流向直流电路;而另一半时间是电源电压克服电动机的反电动势而作功，电流经逆变管流向电动机。而平均功率等于0，如图3(c)所示。
1.3 再生状态的工况
  当吊钩所带重物很重时，重物的重力加速度将使转子的转速超过同步转速，转子绕组切割磁力线的方向和磁场旋转方向相同，转子电流以及电磁转矩的方向都和磁场的旋转方向相反，如图4(a)所示。其结果，是定子电流与电压之间的相位差角大于π/2，如图4(b)所示。电流与电压的瞬时值曲线如图4(d)所示。

图4　 电动机工作在再生状态

  由图4(d)知，反电动势克服电源电压，经反向二极管流向直流电路而作功的时间超过了电源电压克服反电动势经逆变管流向电动机而作功的时间(t1＞t2)，所以，总的来说，是电动机的反电动势在作功。或者说，是重物的位能通过电动机发电而作功。
1.4 结论
  电感电路的基本规律是:电流比电压滞后φ角(电角度)，电源的电能和线圈的磁场能之间，不断地交换着。
  在普通电路里，能量的交换就在电路内进行。
  而在变频器的逆变电路里，逆变管只能在电源作功时单方向导通，因此，必须为反电动势作功提供回路。反向二极管就是为此而设立的。
2  共母线开关器件的选择
  某公司所生产控制柜，因变频器数量较多，故采用公共直流母线，由专用整流电路供电，同时，每台变频器的进线端仍接三相交流电源，如图5所示。多台电动机中，有一台放卷电动机在运行过程中，将连续处于再生制动状态(发电机状态)。

图5　 多台变频器共直流母线

提出的问题是，每台变频器与直流母线之间的接触器和熔断器的额定电流该如何确定？
2.1 电源的外特性
 电源供电的重要特性之一是它的外特性，即端电压与负载电流之间的关系。

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图6 　电源的外特性

  图6(a)是一个简单的直流电路，电源的电动势是E，端电压为U。两者之间的关系为:
   U＝E－Ir0    (2)
  式中，I—负载电流，A;
 　    r0－电源的内电阻，Ω。
  由式(2)知，空载时(I=0)，端电压与电动势相等;当负载电流I增加时，电源内部的电阻压降Ir0   也增加，故端电压U将减小，如图6(b)所示。
  整流桥也是一种向负载提供直流电压的电源，它同样也有外特性。以变频器内的整流桥(包括滤波电容)为例，空载时，直流电压等于输入侧交变电压的振幅值。当输入线电压为380V时，空载直流电压等于537V。负载开始增加时，由于滤波电容放电的原因，其输出电压下降较快，满载时，直流电压等于整流后的平均值。当输入线电压为380V时，直流电压等于513V。
  故变频器中，三相全波整流桥的外特性如图6(d)所示。

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