5.3 小電感的大作用
實(shí)踐背景
在工礦企業(yè)里工作的電氣工作人員，習(xí)慣于對(duì)工頻運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)進(jìn)行分析。而變頻器的輸出電壓卻是高頻脈沖序列，在思考問題時(shí)，應(yīng)該時(shí)時(shí)注意并充分利用這個(gè)特點(diǎn)。
5.3.1 一個(gè)小實(shí)驗(yàn)
5.3.1.1 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的動(dòng)因
1．電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的距離
在實(shí)際工作中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的距離超過一定限度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些不愉快的現(xiàn)象，如電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)加劇，電動(dòng)機(jī)側(cè)的電壓升高等等。
2．應(yīng)對(duì)途徑
說明書上介紹，當(dāng)電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的距離超過100m（也有規(guī)定50m 的）時(shí)，應(yīng)在變頻器的輸出側(cè)接入輸出電抗器。但輸出電抗器非但價(jià)格較貴，還難以買到。
5.3.1.2 小實(shí)驗(yàn)
1．基本考慮
由于變頻器的輸出電壓是由一系列高頻脈沖構(gòu)成的，脈沖頻率高達(dá)10kHz 或以上，波長較短。根據(jù)遠(yuǎn)距離輸電的原理，當(dāng)輸電距離與電壓的波長可以比擬時(shí)，電源端電壓的瞬時(shí)值就和接受端（電動(dòng)機(jī)端）電壓的瞬時(shí)值不一致，從而產(chǎn)生反射波。電源輸出的電壓波和反射波相重疊，就會(huì)發(fā)生一些不希望看到的現(xiàn)象。理論分析表明，如果在電路里加入一些額外的器件（如電感），就可以破壞原有的狀態(tài)。
2．小實(shí)驗(yàn)
變頻器的輸出端接一臺(tái)0.75kW 的小電動(dòng)機(jī)，小電動(dòng)機(jī)放置在地上，不固定。不斷地延長輸出線。當(dāng)輸出線延長至超過50m 時(shí)，小電動(dòng)機(jī)開始振動(dòng)，如圖5-18a）所示。
將變頻器的三根輸出線并在一起，在高頻磁環(huán)上繞1~2 匝，串聯(lián)在輸出電路里，小電動(dòng)機(jī)就不再振動(dòng)了，如
將變頻器的三根輸出線并在一起，在高頻磁環(huán)上繞1~2 匝，串聯(lián)在輸出電路里，小電動(dòng)機(jī)就不再振動(dòng)了，如
圖5-18（b）所示。這個(gè)小實(shí)驗(yàn)說明了，由于變頻器的輸出電壓是高頻脈沖序列，所以，一個(gè)很小的電感，也能起比較顯著的作用。
5.3.2 改善功率因數(shù)的應(yīng)急措施
5.3.2.1 一個(gè)求助電話
某公司為一家塑料廠的一個(gè)車間配置了十余臺(tái)變頻器，結(jié)果，車間變壓器的輸出電壓變成了三角波，功率因數(shù)極低，影響了其他設(shè)備的正常運(yùn)行。
公司老板打電話向我咨詢，我說每臺(tái)變頻器都配置電抗器呀。老板說，這我也知道。但電抗器挺貴的，用戶不肯出錢，我出錢就賠本了。
5.3.3 輸出電抗器的發(fā)熱及改善
5.3.3.1 輸出電抗器的弊病
1．存在問題
不少用戶反映，輸出電抗器存在兩個(gè)問題：一是噪音大；二是鐵心發(fā)熱嚴(yán)重。
2．原因分析
問題很可能發(fā)生在鐵心上。因?yàn)樽冾l器輸出電流里的高次諧波成分，而國產(chǎn)的輸出電抗器所用的硅鋼片，都只能用一般變壓器用的硅鋼片，如采用特殊的硅鋼片，將增加成本，難以被用戶接受。而硅鋼片里的渦流損失和磁滯損失都和頻率的二次方成正比。所以，當(dāng)用在高頻電路里時(shí)，鐵心容易發(fā)熱。
5.3.3.2 解決辦法
1．基本途徑
在變頻器的輸出電路中，串聯(lián)一點(diǎn)小電感，以減小輸出電流中的諧波成分。
2．具體方法
將三根輸出線并在一起，同時(shí)在高頻磁環(huán)上繞上若干匝，串聯(lián)在變頻器和輸出電抗器之間，如圖5-20 所示。據(jù)用戶反映，此法較好地解決了上述問題。
5.3.4 簡易濾波器
5.3.4.1 用戶的問題
大致有兩種情形：
1．無抗干擾措施
部分用戶不知道采用變頻調(diào)速后，需要配置一些抗干擾器件，如濾波器等，在使用過程中發(fā)現(xiàn)變頻器對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，例如，在變頻器旁邊不能打手機(jī)等等。
2．抗干擾措施不力
部分用戶已經(jīng)配置了輸入、輸出濾波器，但仍存在干擾問題，說明所配置的濾波器效果不夠好。這也是常見的情況，因?yàn)闊o源濾波器件很難把高次諧波成分濾得很干凈。
5.3.4.2 解決辦法
針對(duì)以上兩種情形，我都建議他們自制簡易濾波器，接在變頻器的輸出側(cè)，如圖5-21（a）所示。
對(duì)于原來未配置濾波器的用戶來說，等于配置了一個(gè)濾波器；對(duì)于已配置濾波器而效果欠佳的用戶來說，則是增加了一個(gè)輔助濾波器。具體方法如下：
將變頻器的三根輸出線以相同的方法在同一個(gè)高頻磁心上繞制3~4 圈，如圖5-21（b）的上部所示。
如果輸出側(cè)的導(dǎo)線較粗，難以多圈繞制時(shí)，可以在多加幾個(gè)高頻磁心的情況下，只繞一圈，也可以取得相同的效果，如圖（b）的下部所示，也可以再多加幾個(gè)高頻磁心，把三根導(dǎo)線直接穿過磁心即可。據(jù)用戶反映，此法取得了不錯(cuò)的效果。
小小體會(huì)
在工頻電路里，鐵心上只繞幾圈繞組所構(gòu)成的小電感，是完全可以忽略不計(jì)的。但在高頻電路里，卻常常能取得意想不到的效果。
5.4 異步電動(dòng)機(jī)的上限頻率
5.4.1 討論背景
自從變頻調(diào)速普及后，常常有人提出這樣的問題：異步電動(dòng)機(jī)變頻后，最高能調(diào)節(jié)到多大頻率？專家們對(duì)這個(gè)問題的答案是多種多樣的，有的說，不應(yīng)超過60Hz，也有說不應(yīng)超過80Hz，莫衷一是，得不到一個(gè)統(tǒng)一的說法。
其實(shí)，異步電動(dòng)機(jī)工作頻率的上限，是應(yīng)該根據(jù)負(fù)載的特點(diǎn)來決定的。
5.3.2 電動(dòng)機(jī)高頻運(yùn)行的特點(diǎn)
5.3.2.1 異步電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力
異步電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力由機(jī)械特性決定，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖5-22 所示，要點(diǎn)如下：
1．臨界轉(zhuǎn)矩
異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性有一個(gè)拐點(diǎn)，稱為臨界點(diǎn)，如圖中的K 點(diǎn)所示。臨界點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩就稱為臨界轉(zhuǎn)矩，用TK 表示。臨界轉(zhuǎn)矩也是異步電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩。
2．額定轉(zhuǎn)矩
所謂額定轉(zhuǎn)矩，是指允許長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)矩�；蛘哒f，在此轉(zhuǎn)矩下長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫升將不超過允許值。額定轉(zhuǎn)矩用TN 表示，如圖中之N 點(diǎn)所示。
3．過載能力
電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，只要其溫升不超過允許值，短時(shí)間的過載運(yùn)行是允許的。但過載是有限度的，這就是：負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩必須小于電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩。因此，臨界轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩之比，就稱為過載能力：
5.4.2.2 高頻運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩
1．高頻運(yùn)行的臨界轉(zhuǎn)矩
高頻運(yùn)行時(shí)臨界轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式十分復(fù)雜，也難以得到準(zhǔn)確而簡單的表達(dá)式。根據(jù)日本變頻器提供的曲線推算，則臨界轉(zhuǎn)矩和頻率之間的關(guān)系大致為：
式（5-12）表明，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定頻率以上時(shí)，其臨界轉(zhuǎn)矩將隨頻率的增加而減小。例如，當(dāng)工作頻率為100Hz 時(shí)，kf =2。則由式（5-12），得：
可見，這時(shí)的臨界轉(zhuǎn)矩只有50Hz 時(shí)的38%。在圖5-23中，曲線②是kf =2 時(shí)的機(jī)械特性；曲線③是kf >1 的臨界轉(zhuǎn)矩線；曲線④是kf >1 的有效轉(zhuǎn)矩線。
2．高頻運(yùn)行的有效轉(zhuǎn)矩
所謂有效轉(zhuǎn)矩，是指在非額定頻率下，允許長時(shí)間運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩，相當(dāng)于非額定頻率下的“ 額定轉(zhuǎn)矩”，用TE 表示。
一般認(rèn)為，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在額定頻率以上運(yùn)行時(shí)，其有效轉(zhuǎn)矩具有恒功率的特點(diǎn)。即：
一般認(rèn)為，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在額定頻率以上運(yùn)行時(shí)，其有效轉(zhuǎn)矩具有恒功率的特點(diǎn)。即：
答案是肯定的，主要原因有：
（1）負(fù)載工況
高速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載一般不容易過載。以金屬切削機(jī)床為例，高速切削都只有在精加工時(shí)進(jìn)行，而精加工時(shí)，非但進(jìn)刀量較小，一般也不大會(huì)過載。
（2）散熱變好
高頻運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)速也同時(shí)增加，電動(dòng)機(jī)的散熱得到了很大的改善，電動(dòng)機(jī)允許的“ 額定電流” 可以增加。
4．結(jié)論
由于上述原因，認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)在額定頻率以上運(yùn)行時(shí)，其有效轉(zhuǎn)矩具有恒功率特點(diǎn)是可以成立的。
5.4.2.3 機(jī)械制約因素
以上是從電的角度考慮的結(jié)果，而電動(dòng)機(jī)作為一臺(tái)旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，還會(huì)在機(jī)械方面受到制約，主要的制約因素有：
1．軸承的轉(zhuǎn)速限制
電動(dòng)機(jī)所用的軸承一般都是通用軸承，其最高轉(zhuǎn)速約為4000r/min 多一點(diǎn)。因此，如果是2 極電動(dòng)機(jī)，就不允許在100Hz 下運(yùn)行，允許的最高頻率只有65Hz。
2．動(dòng)平衡
任何機(jī)械在高速運(yùn)行時(shí)，都存在著動(dòng)平衡的問題，電動(dòng)機(jī)也不例外。所以，在生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須對(duì)轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡試驗(yàn)。異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)平衡試驗(yàn)一般在3000r/min 的狀態(tài)下進(jìn)行。所以，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000r/min 時(shí)，就有可能出現(xiàn)動(dòng)平衡方面的問題。
5.4.3 各類負(fù)載的最高工作頻率
變頻拖動(dòng)系統(tǒng)的最高工作頻率要根據(jù)負(fù)載的機(jī)械特性來決定。分述如下：
5.4.3.1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
1．基本分析
（1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)
所謂恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，是指在不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩恒定不變，其機(jī)械特性如圖5-24 中的曲線②所示（曲線①是電動(dòng)機(jī)在額定頻率以下運(yùn)行時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩線）。
（2）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載對(duì)頻率的限制
如果負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩如曲線③所示，與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩相等的話，電動(dòng)機(jī)的最高工作頻率只能等于額定頻率。或者說，電動(dòng)機(jī)允許的工作頻率范圍是：
