因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的功率是不變的，所以，如果將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗功率忽略不計(jì)的話，則負(fù)載側(cè)得到的功率總是和電動(dòng)機(jī)的功率相等的�；蛘哒f，負(fù)載側(cè)得到的功率是恒定的。
為了簡(jiǎn)便起見，我們假設(shè)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩是不變的，即恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。低速運(yùn)行意味著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比較大，如上述，這里負(fù)載所得到的轉(zhuǎn)矩將被放大，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)，所以，電流必減小。
從另一個(gè)角度看，由式(5-4)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在低速運(yùn)行時(shí)，所消耗的功率減小，電動(dòng)機(jī)的電流也就跟著減小了。
從效果上說，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后，在低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的輸入電流也必減小。這一點(diǎn)是和機(jī)械調(diào)速相一致的。但在變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般不再調(diào)節(jié)其傳動(dòng)比。因此，在帶動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，不論轉(zhuǎn)速( 頻率) 多高，電動(dòng)機(jī)的電流是基本不變的。
原來(lái)，變頻調(diào)速系統(tǒng)在頻率下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓也要跟著下降。如圖5-3 所示，當(dāng)工作頻率為50Hz 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓等于380V，處于額定狀態(tài)，它的輸入、輸出功率都可以達(dá)到額定值，如圖5-3(a) 所示。
但當(dāng)工作頻率為25Hz 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓約等于190V，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的話，電動(dòng)機(jī)的電流也不變，結(jié)果是，電動(dòng)機(jī)的輸入功率將只有額定功率的一半，如圖5-3(b)所示。
于是，如同變壓器一樣，低壓側(cè)電流大，高壓側(cè)電流小。所以，在低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的輸入電流是減小的。在圖5-3中，必有： IM2≈IM1，IS2 ＜ IS1
5.1.1.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的能量傳遞
如圖5-4 所示，變頻調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的功率如下：
1. 電源功率
即變頻調(diào)速系統(tǒng)從電源吸取的電功率，其計(jì)算公式如下：PS ＝ USIS·λ (5-6) 式中，PS 為變頻器的輸入功率，kW；US 為電源線電壓，V；IS 為電源線電流，A；λ 為全功率因數(shù)。
2. 直流回路功率
PD ＝ UDID (5-7) 式中，PD 為直流回路的電功率，kW；UD 為直流回路電壓，V；ID 為直流回路電流，A。
3. 變頻器的輸出功率
變頻器的輸出端是和電動(dòng)機(jī)相接的，所以，其輸出功率也是電動(dòng)機(jī)的輸入功率，計(jì)算公式如下：PM1 ＝ UMIMcosφ1 (5-8) 式中，PM1 為變頻器的輸出功率，kW；UM 為變頻器的輸出線電壓，也是電動(dòng)機(jī)的輸入線電壓，V；IM 為變頻器的輸出線電流，也是電動(dòng)機(jī)的輸入線電流，A；cosφ1 為電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的功率因數(shù)。
5.1.1.4 頻率下降后的功率變化
毫無(wú)疑問，在每?jī)蓚�(gè)環(huán)節(jié)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，都會(huì)有功率的損耗。但因?yàn)檫@些損耗功率所占比例都很小，可以忽略不計(jì)。則可以認(rèn)為，各環(huán)節(jié)的功率都是近似相等的。要大一起大，要小一起小。
當(dāng)變頻器的輸出頻率減小，使負(fù)載轉(zhuǎn)速下降時(shí)，各環(huán)節(jié)的功率將減小，但減小的原因各不相同，分述如下：
1. 負(fù)載消耗的功率PL
由式(5-4)，因?yàn)槭呛戕D(zhuǎn)矩負(fù)載(TL=C)，所以轉(zhuǎn)速nL下降時(shí)，PL 也必下降。
2. 電動(dòng)機(jī)的輸出功率PM2
因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩總是和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的，當(dāng)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩也是不變的。則由式(5-3)，當(dāng)轉(zhuǎn)速nM 隨頻率下降，輸出功率PM2 將減小。
3. 電動(dòng)機(jī)的輸入功率PM1
由式(5-8)，因電磁轉(zhuǎn)矩不變，故電流大小也不變，但變頻器的輸出電壓要隨頻率下降，所以，電動(dòng)機(jī)的輸入功率( 也就是變頻器的輸出功率) 減小。
4. 直流回路的電流ID
由式(5-7)，因?yàn)橹绷麟妷篣D 是不變的，所以直流電流ID 將隨功率PD 的減小而減小。
5. 變頻器的輸入電流IS
由式(5-6)，因電源電壓US 是不變的，故輸入電流IS隨功率PS 而減小。
5.1.1.5 結(jié)論
變頻器在低頻運(yùn)行時(shí)，由于其輸出電壓要隨頻率同時(shí)下降，所以輸入電流比輸出電流小。
這和變壓器是相同的。在降壓變壓器里，在損耗功率忽略不計(jì)的情況下，高壓側(cè)和低壓側(cè)的功率是相等的。而功率又和電壓與電流的乘積成正比，所以高壓側(cè)的電流小、低壓側(cè)的電流大，如圖5-5(a) 所示。
變頻器其實(shí)也一樣，所不同的只是變頻器輸出側(cè)的電壓是隨頻率的下降而下降的，其輸入側(cè)是高壓側(cè)，所以輸入側(cè)的電流比輸出側(cè)的電流小，如圖5-5(b) 所示。
5.1.2 輸入電流的功率因數(shù)
5.1.2.1 電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)
1. 變頻調(diào)速系統(tǒng)的能量交換
電動(dòng)機(jī)是電阻、電感性(R、L) 負(fù)載，其功率因數(shù)cosφ＜ 1。存在著一部分磁場(chǎng)和電源交換能量的無(wú)功功率。
在變頻器里，電動(dòng)機(jī)并不直接和電源相接，而有直流電路阻隔其間，因此，其能量交換只在磁場(chǎng)和濾波電容器之間進(jìn)行。
如圖5-6 右上角所示，在0~t1 區(qū)間，電流和電壓是反方向的，說明是反電動(dòng)勢(shì)克服電壓而向電容器充電，如圖中的虛線①所示；在t1~t2 區(qū)間，電流和電壓是同方向的，說明是電容器上的電壓克服反電動(dòng)勢(shì)而向放電，如圖中的虛線②所示。
2. 電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的作用
(1) 與變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)無(wú)關(guān)
變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)是在變頻器的輸入側(cè)進(jìn)行測(cè)定的，如圖5-6 所示。電動(dòng)機(jī)里的磁場(chǎng)能和變頻器的輸入電源之間并不進(jìn)行能量交換，所以，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)之間并無(wú)關(guān)聯(lián)。
(2) 電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)影響發(fā)熱
功率因數(shù)低，定子里的無(wú)功電流增加，將增加定子繞組產(chǎn)生的熱量，使電動(dòng)機(jī)的溫升增加。
(3) 減少變頻器帶動(dòng)的電動(dòng)機(jī)數(shù)量
當(dāng)一臺(tái)變頻器供電給多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，如電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)低了，將使變頻器能夠供電的電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)減少。
3. 影響電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的因素
(1) 異步電動(dòng)機(jī)的定子電流
如圖5-7(a) 所示，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流I1 由兩部分構(gòu)成：首先是轉(zhuǎn)子的等效電流I2’，其大小取決于負(fù)載的輕重；其次是勵(lì)磁電流I0，用于產(chǎn)生磁通，其大小和電壓有關(guān)，電壓大，則勵(lì)磁電流也大。三者之間的關(guān)系如圖5-7(b) 所示：
式中， 為定子電流，A； 為轉(zhuǎn)子的等效電流，A；為勵(lì)磁電流，A。
(2) 勵(lì)磁電流的大小
變頻器里有一個(gè)功能，叫做“ 轉(zhuǎn)矩提升”，是在低頻運(yùn)行時(shí)，調(diào)整電壓頻率比(U/f 比) 的。其實(shí)際意義是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在某一頻率下運(yùn)行時(shí)，其輸入電壓是可以根據(jù)負(fù)載的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
電動(dòng)機(jī)是通過產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)拖動(dòng)負(fù)載的，電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式是：
TM ＝ KTФmI2’cosφ2 (5-10)
式中，TM 為電磁轉(zhuǎn)矩，N∙m；KT 為比例常數(shù)；Фm 為每個(gè)磁極下磁通量的振幅值，Wb。式(5-10) 表明，電磁轉(zhuǎn)矩是和轉(zhuǎn)子電流與磁通的乘積成正比的。就是說，如增大電壓，則磁通增加，也同樣可以增大電磁轉(zhuǎn)矩的。問題是，電動(dòng)機(jī)的磁路是要飽和的，而在飽和狀態(tài)下，勵(lì)磁電流即使增加很多，磁通也增加不了多少。
于是，當(dāng)變頻器的轉(zhuǎn)矩提升功能預(yù)置得太大時(shí)，就出現(xiàn)勵(lì)磁電流大幅增加的情況，從而使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)減小，如圖5-7(c) 所示。
所以，在變頻調(diào)速的情況下，如果電壓與頻率之比設(shè)定不當(dāng)，容易發(fā)生電動(dòng)機(jī)磁路飽和，勵(lì)磁電流增大的現(xiàn)象。結(jié)果是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)下降，效率降低。
(a) 各電流關(guān)系 (b) 電流相量圖 (c) 電壓偏高相量圖
圖5-7 異步電動(dòng)機(jī)的定子電流
5.1.2.2 變頻器的功率因數(shù)
1. 變頻器的輸入電流
變頻器的輸入側(cè)是一個(gè)三相全波整流電路，整流后的直流電壓為UD，如圖6-8(a) 所示。很明顯，當(dāng)電源電壓的瞬時(shí)值小于UD(uS ＜ UD) 時(shí)，是不可能有輸入電流的。只有當(dāng)uS≥UD 時(shí)，才開始有輸入電流，如圖5-8(b) 中之曲線①所示。其輸入電流是非正弦電流，如曲線②所示。它將包含著十分豐富的高次諧波成分。
輸入電流的基波分量與電壓同相位，所以，當(dāng)用普通的功率因數(shù)表測(cè)量時(shí)，得到的結(jié)果是cosφ=1。
然而，所有高次諧波電流都是無(wú)功電流，它所起的作用和R、L 電路里cosφ 較低時(shí)的作用完全相同，就是說，它要在電源和輸電線路里流過許多不作功的電流，從而減小了電源和輸電線路的供電能力。
2. 提高變頻器功率因數(shù)的途徑
既然變頻器功率因數(shù)低的原因是由高次諧波電流導(dǎo)致的，提高功率因數(shù)的根本途徑，就只能從削弱高次諧波電流著手。因?yàn)殡姼芯�圈的感抗是和頻率成正比的，所以用電感來(lái)削弱高次諧波電流就是順理成章的方法。具體方法是：
(1) 接入交流電抗器
在三相電源的進(jìn)線處串聯(lián)交流電抗器，如圖5-9 中的AL 所示。
但交流電抗器會(huì)產(chǎn)生電壓降，使變頻器的實(shí)際輸入電壓下降。所以，交流電抗器的電感量是要受到其電壓降的制約的。具體地說，串聯(lián)交流電抗器后，變頻器的輸入電壓必須不小于額定電壓的(95~98)%。這就影響了采用交流電抗器提高功率因數(shù)的能力，一般來(lái)說，交流電抗器只能將功率因數(shù)提高到0.85 左右。
(2) 接入直流電抗器
直流電抗器接在整流橋和濾波電容器之間，如圖5-9中之DL所示。接入直流電抗器后，可將功率因數(shù)提高至0.9。如交、直流電抗器一起接入，則功率因數(shù)可提高至0.95。5.1.3 輸入電流不平衡
5.1.3.1 濾波電容的工作特點(diǎn)
變頻器在低頻運(yùn)行時(shí)，三相輸入電流是不平衡的。要說明這個(gè)問題，首先看一下三相整流橋經(jīng)濾波電容器濾波后的工作特點(diǎn)。
1. 整流橋向電阻電路供電
電源的三相交變電壓的波形，經(jīng)三相全波整流以后，其電壓波形有6 個(gè)脈波，如圖5-10 中的曲線①所示。電容器的濾波過程如下：在每個(gè)脈波的上升沿，電壓在向電阻R 提供電流的同時(shí)，也向電容器充電；而每個(gè)脈波的下降沿，則主要是電容器向電阻放電的過程。
總的來(lái)說，濾波電容器處于不斷地充、放電的狀態(tài)，其電壓波形如圖5-10 中的曲線②所示。這6 個(gè)脈波的充、放電過程有兩個(gè)特點(diǎn)：第一個(gè)特點(diǎn)是有序。就是說，前一個(gè)脈波充、放電完畢，后一個(gè)就接著來(lái)，好象排著隊(duì)一樣；第二個(gè)特點(diǎn)是均等。因?yàn)殡娮柚凳遣蛔兊�，所以�? 個(gè)脈波的放電電流都相等。在這種情況下，三相的進(jìn)線電流是平衡的。
2. 向R、L 電路供電
變頻器的負(fù)載是電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的定子繞組屬于R、L電路。如圖5-6 所示，R、L 電路也要對(duì)濾波電容充、放電。就是說，在變頻器里的濾波電容，既要接受電源對(duì)它的充、放電，也要接受負(fù)載對(duì)它的充、放電。兩者之間能否協(xié)調(diào)呢？
假設(shè)變頻器的輸出頻率為25Hz，輸出電流的波形如圖5-11 的右上角所示，電流比電壓滯后7.5ms( 相當(dāng)于0.375π)�，F(xiàn)在來(lái)看一下，電阻負(fù)載時(shí)，濾波電容充、放電的有序和均等這兩個(gè)特點(diǎn)是否繼續(xù)存在？
(1) 充電的有序性
如圖所示，在7.5ms 時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)繞組一直在向?yàn)V波電容器充電，而整流橋整流后，每個(gè)脈波的持續(xù)時(shí)間只有3.3ms，電動(dòng)機(jī)繞組向?yàn)V波電容器充電的時(shí)間（7.5ms）復(fù)蓋了電源整流后的2 個(gè)多一點(diǎn)的脈波，這兩個(gè)被復(fù)蓋的脈波處于不能充電的狀態(tài)。因此，6 個(gè)脈波向?yàn)V波電容器充電的有序性被破壞了。
(2) 放電的均等性
在直流向電動(dòng)機(jī)繞組放電此后的時(shí)間(12.5ms) 內(nèi)，放電電流并不象電阻電路那樣均衡，而是正弦波的，就是說，每個(gè)脈波的放電電流是不相等的。所以，6 個(gè)脈波向電動(dòng)機(jī)繞組的放電電流是不均等的。
結(jié)果是，如圖5-10 那樣的6 個(gè)脈波“ 有序而均等” 地對(duì)濾波電容器進(jìn)行充、放電的狀態(tài)被破壞了。所以，三相進(jìn)線電流就是不平衡的了。并且，毫無(wú)規(guī)律可言。一方面，要受到變頻器輸出頻率的影響；另一方面，也要受到負(fù)載輕重的影響。
一般來(lái)說，工作頻率越低，負(fù)載越輕，三相進(jìn)線電流越不平衡。
小小體會(huì)
變頻器的輸入電流具有一些和常規(guī)電器不一樣的特點(diǎn)，而尤以三相電流不平衡是在其他設(shè)備中難以見到的。核心的問題是必須充分了解電解電容器的充、放電特點(diǎn)。
5.2 停電時(shí)的故障分析
講解背景
二十世紀(jì)八十年代，我自己研制的變頻器正在順利試機(jī)，單位突然停電，再開機(jī)，竟不運(yùn)行了。檢查的結(jié)果是逆變器件損壞了。分析其原因，則和變頻器各部分的過渡過程有關(guān)。當(dāng)時(shí)的逆變器件用的是大功率晶體管GTR(BJT)。雖然，現(xiàn)代的中小容量變頻器因?yàn)槭褂昧薎GBT，已經(jīng)解決了這個(gè)問題。但GTR 并未完全退出變頻舞臺(tái)，所以，分析其損壞過程，仍有一定價(jià)值。
5.2.1 變頻器里的直流電源
5.2.1.1 主電路的直流電源
1. 主電路的結(jié)構(gòu)
主電路的直流電源已如前述，由三相全波整流電路加濾波電容器構(gòu)成。這里不再贅述。
2. 突然停電后的過渡過程
當(dāng)突然停電時(shí)，變頻器的框圖如圖5-12(a) 所示。由于逆變橋還在工作，濾波電容器CD 迅速放電，直流電壓UD迅速下降，電壓曲線如圖6-12(b) 中之曲線①所示。曲線②是曲線①的切線，τD 是UD 下降的時(shí)間常數(shù)。由曲線①知，電壓的下降是很快的。但因?yàn)殡妷旱某跏贾岛艽�，下降過程的總時(shí)間并不很短。
5.2.1.2 驅(qū)動(dòng)電路的直流電源
1. 對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求
驅(qū)動(dòng)電源需要解決兩方面的問題：
一方面，它應(yīng)能使晶體管迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，如圖5-13(a) 所示； 另一方面，在飽和導(dǎo)通的狀態(tài)下，又能使晶體管迅速截止。為此，采取了兩個(gè)措施：
(1) 關(guān)斷時(shí)，在基極和發(fā)射極之間加入反向電壓，使晶體管容易截止，如圖5-13(b) 所示。
(2) 當(dāng)晶體管飽和導(dǎo)通后，應(yīng)適當(dāng)降低驅(qū)動(dòng)電壓，使晶體管退出深度飽和的狀態(tài)，如圖5-13(c) 所示。
2. 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖5-14(a) 所示，其負(fù)載是晶體管的B-E 結(jié)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電源電壓的要求，濾波電容器CB 的容量不宜太大。
3. 突然停電后的過渡過程
一方面，由于CB 的容量不大，另一方面，其輸出電流又并不小，所以，停電后，電壓UB 和驅(qū)動(dòng)電流IB 將衰減得很快，如圖5-14(b) 中的曲線①所示。
5.2.1.3 控制電路的直流電源
1. 控制電路的電源結(jié)構(gòu)
控制電路的主體是中央處理器(CPU)，它對(duì)電壓穩(wěn)定度的要求極高。在圖5-15(a) 中，W1 是開關(guān)電源輸出變壓器的一次繞組，CPU 的電源從二次繞組之一取出。本來(lái)，開關(guān)電源本身就具有穩(wěn)壓功能，但為了增強(qiáng)CPU 電源的穩(wěn)定度和抗干擾能力，又增加了穩(wěn)壓電路，如
圖5-15(a) 所示。圖中，7805 是集成穩(wěn)壓電路，濾波電容器C01 的容量很大，以保持直流電壓更加穩(wěn)定。C02 和C03 用于抗干擾。
5.2.2 停電時(shí)逆變管損壞的原因
5.2.2.1 逆變用晶體管的額定功率
1. 晶體管的功耗
眾所周知，晶體管有三個(gè)工作狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)、飽和導(dǎo)通狀態(tài)和放大狀態(tài)。今假設(shè)某晶體管的額定數(shù)據(jù)是：1200V、100A、500W。則在三個(gè)狀態(tài)之下的功耗如圖5-16所示。
(1) 截止?fàn)顟B(tài)的功耗
在截止?fàn)顟B(tài)，集電極只有1mA 的漏電流，電阻RC 上的電壓降幾乎為0，晶體管的管壓降和電源電壓近乎相等，晶體管的功耗只有0.5W，如圖5-16(a) 所示；
(2) 飽和狀態(tài)的功耗
在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極電流為100A，晶體管的管壓降為2.6V，功耗為260W，如圖5-16(b) 所示；
(3) 放大狀態(tài)的功耗
以某放大狀態(tài)為例，集電極電流為50A，集電極電阻RC 上的電壓降為248V，晶體管的管壓降為252V，功耗高達(dá)2.6kW。大大超過額定功耗，如圖5-16(c) 所示。所以，開關(guān)晶體管只能用在開關(guān)狀態(tài)，絕對(duì)不允許在放大區(qū)停留。
5.2.2.2 變頻器停電時(shí)的狀態(tài)
正常情況下，應(yīng)該首先使變頻器停止工作，然后切斷電源。如果變頻器在正常運(yùn)行的狀態(tài)下突然切斷電源，情況如何呢？
1. 基極電流
如上述，停電后，基極驅(qū)動(dòng)電路的電壓下降得很快，故基極電流也很快減小。假設(shè)，在tX 時(shí)間內(nèi)，基極電流從額定狀態(tài)的1.5A 減小為0.375A，晶體管進(jìn)入放大狀態(tài)，集電極電流減小為20A，如圖5-17(a) 所示。
2. 主電路電壓
主電路電壓也下降得很快，但因?yàn)槌跏贾岛艽�，所以，在相同的tX 時(shí)間內(nèi)，雖然下降得只有額定電壓的30%，但仍有150V。
3. 晶體管的功耗
集電極電流的減小，使RC 上的電壓降為100V，而晶體管的管壓降減小為50V，晶體管的功耗為1000W，是額定功耗的2 倍。所以，晶體管必?zé)裏o(wú)疑。變頻器的逆變器件改用IGBT 管以后，因?yàn)槠淇刂茦O電流極小，驅(qū)動(dòng)電路的電壓不會(huì)很快下降，上述現(xiàn)象基本上不再發(fā)生。
小小體會(huì)
當(dāng)電源電壓突變時(shí)，分析各部分電路的暫態(tài)過程是十分重要的，也是解開各種迷團(tuán)的主要途徑。
