討論背景
時(shí)至今日，變頻器的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及了，但許多用戶在使用過(guò)程中，仍存在著不少誤區(qū)，主要是對(duì)一些基本規(guī)律不夠熟悉。本文將首先從分析一個(gè)實(shí)例入手，就一些常見(jiàn)的誤區(qū)進(jìn)行分析。
5.7.1 甩掉減速器
5.7.1.1 想法與結(jié)果
1．基本想法
有人說(shuō)，既然變頻可以調(diào)速，原來(lái)笨重的減速器是否可以甩掉了？例如，原來(lái)減速器的傳動(dòng)比λ ＝ 5，去掉減速器后只需將電動(dòng)機(jī)的工作頻率下降為10Hz 就可以了。
2．運(yùn)行結(jié)果
拖動(dòng)系統(tǒng)紋絲不動(dòng)，不能運(yùn)行。
5.7.1.2 錯(cuò)誤分析
以15 kW 的電動(dòng)機(jī)去帶動(dòng)70kW 的負(fù)載，顯然是帶不動(dòng)的。
2．從轉(zhuǎn)矩看
可見(jiàn)，去掉減速器后，電動(dòng)機(jī)是帶不動(dòng)負(fù)載的，如圖5-43（b）所示。
5.7.2 提高工作頻率
5.7.2.1 想法和結(jié)果
1．基本想法
某廠的顯示屏生產(chǎn)線，在工頻運(yùn)行時(shí)，傳輸帶的線速度是2m/min。希望使用變頻器把工作頻率提高到fX1＝60 Hz（kf＝1.2），使傳輸帶的線速度提高到2.4 m/min，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。如圖5-44 所示。
電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)是：22kW，1470r ／ min；負(fù)載轉(zhuǎn)矩為643N•m；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為λ=5。
2．運(yùn)行結(jié)果
電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，很快就冒煙了。
5.7.2.2 錯(cuò)誤分析
1．從功率看
當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)速提高為353 r/min 后，它所消耗的功率將增大為
5.7.3 四極代六極
5.7.3.1 想法與結(jié)果
1．基本想法
某車(chē)床，原用電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：75 kW，980r∕min。因機(jī)座較大，不便操作。故改用75 kW，1480r∕min 的電動(dòng)機(jī)（即6 極改4 極），上限頻率為33 Hz。
2．運(yùn)行結(jié)果
電動(dòng)機(jī)通電后，很快就冒煙了。
5.7.3.2 錯(cuò)誤分析
1．從轉(zhuǎn)矩看
小小體會(huì)
采用變頻調(diào)速改造原有拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，一定要同時(shí)注意變頻后，電動(dòng)機(jī)的功率和電磁轉(zhuǎn)矩的變化，才能了解拖動(dòng)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。
5.8 變頻器用自制配件
討論背景
變頻器在應(yīng)用過(guò)程中，常常需要附加一些配件。有的配件在市場(chǎng)上比較難買(mǎi)，有的雖能買(mǎi)到，但價(jià)格較貴。用戶在購(gòu)買(mǎi)變頻器時(shí)，常并未考慮配件的問(wèn)題，于是和銷(xiāo)售者之間，發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)的事情時(shí)有發(fā)生。我于是自行制作了一些常用配件，價(jià)廉而物美。今介紹如下。
5.8.1 測(cè)量器件
5.8.1.1 常用儀表測(cè)量變頻器輸出電壓
1．變頻器輸出電壓的特點(diǎn)
變頻器的輸出電壓是正弦脈寬調(diào)制后的系列脈沖，如圖5 － 46（b）和（c）所示。特點(diǎn)是：
（1）脈沖的幅值不變
（1）脈沖的幅值不變
變頻器輸出電壓的有效值隨頻率而變，但所有脈沖的幅值不變，都等于直流電壓：
2．常用儀表測(cè)量結(jié)果
工廠里常用的電壓表主要是電磁式儀表或數(shù)字式儀表。用這兩種電壓表測(cè)量變頻器的輸出電壓時(shí)，讀數(shù)都偏大。如圖5-47 所示，分述如下：
（1）電磁式儀表
電磁式儀表的主要部件是作用于鐵片的線圈。由于線圈的感抗要隨變頻器輸出頻率的降低而減小，在相同的電壓下，線圈里的電流就增大，故讀數(shù)偏大。如圖（a）所示。
（2）數(shù)字式儀表
數(shù)字式儀表是通過(guò)采樣脈沖不時(shí)地對(duì)被測(cè)電壓進(jìn)行采樣，由于變頻器輸出電壓的脈沖序列和儀表本身采樣脈沖的頻率不相吻合，故測(cè)量結(jié)果的誤差很大，如圖（b）所示。
5.8.1.2 整流式儀表
1．整流式電壓表原理
整流式電壓表的主體是磁電式儀表，其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)如下：
（1）磁電式儀表的結(jié)構(gòu)
其基本結(jié)構(gòu)如圖5 － 48（a）所示。圖中，1 是永久磁鐵，是固定的；2 是鐵心，用于增強(qiáng)磁路的磁通； 3 是線圈帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)的，4 是指針。
（2）原理與特點(diǎn)
當(dāng)線圈中通入與被測(cè)量成正比的電流后，將受到磁場(chǎng)的作用力而轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角與線圈內(nèi)電流的平均值成正比。磁電式儀表在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，有以下特點(diǎn)：
1）只能測(cè)量直流電流和電壓
當(dāng)流經(jīng)線圈的電流方向改變時(shí)，線圈的受力方向也將改變。因此，如果通入線圈的電流是交變電流的話，指針將不能偏轉(zhuǎn)。所以，磁電式儀表是不能用來(lái)測(cè)量交流電壓和電流的。
2）測(cè)電壓時(shí)必須串聯(lián)附加電阻
由于磁電式儀表的偏轉(zhuǎn)部分是線圈，故測(cè)量電壓時(shí)，不能像電磁式儀表那樣大量增加線圈的匝數(shù)。而必須依靠串聯(lián)一個(gè)阻值很大的附加電阻rA 來(lái)減小取用電流。
（3）整流式儀表及其功用
1）儀表的構(gòu)成
所謂整流式儀表，就是把交變電壓經(jīng)全波整流后再通入磁電式儀表，是用磁電式儀表來(lái)測(cè)量交流電的一種方式，如圖（b）所示。
2）測(cè)量交流電壓時(shí)的特點(diǎn)
如上述，由于線圈的匝數(shù)不多，故電感量小。當(dāng)用來(lái)測(cè)量交流電壓時(shí)，因?yàn)榇?lián)了阻值很大的附加電阻rA，故整個(gè)測(cè)量電路基本上呈純電阻性質(zhì)。所以，測(cè)量變頻器的輸出電壓時(shí)，流入線圈的電流波形基本上和電壓波形相同。利用這一特點(diǎn)，由整流式儀表來(lái)測(cè)量變頻器的輸出電壓是比較準(zhǔn)確的，其測(cè)量結(jié)果如圖（c）所示。由于變頻器的輸出電壓中含有高次諧波成分，故測(cè)量結(jié)果與基波電壓相比，略大一些。
2．自制SPWM 電壓表
市場(chǎng)上不容易買(mǎi)到整流式電壓表，但可以自制，方法如下：
（1）在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)一個(gè)磁電式的低壓直流電壓表，量程不限，這是整流式儀表的基礎(chǔ)。
（2）找一個(gè)阻值較大的電位器RP（500kΩ 左右）與電壓表串聯(lián)，開(kāi)始時(shí)將RP 調(diào)至最大值；
（3）用一個(gè)整流橋（擊穿電壓應(yīng)≥1000V），其交流輸入側(cè)接至變頻器的輸出端，直流輸出側(cè)接至電壓表和電位器的串聯(lián)電路，如圖5-49 所示；
（4）儀表的校準(zhǔn)磁電式儀表的讀數(shù)是和電流的平均值成正比的，要得到有效值，須進(jìn)行必要的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)步驟如下：
①變頻器接通電源，將輸出頻率調(diào)至50Hz。這時(shí)，變頻器的輸出電壓應(yīng)顯示為380V；
②微微調(diào)節(jié)電位器RP，使電壓表的指針指最大量程處，則電壓表的最大量程為380V；
③測(cè)量電位器的阻值，用一個(gè)固定電阻取代電位器，并裝入表內(nèi)。
③測(cè)量電位器的阻值，用一個(gè)固定電阻取代電位器，并裝入表內(nèi)。
5.8.1.3 變頻器運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量?jī)x表
1．變頻器的幾個(gè)接模擬量輸出端子
變頻器的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)可以通過(guò)外接儀表來(lái)進(jìn)行測(cè)量，為此，專(zhuān)門(mén)配置了為外接儀表提供測(cè)量信號(hào)的外接模擬量輸出端子，如圖5-50（a）所示。
變頻器的外接模擬量輸出端子通常有兩個(gè)，用于測(cè)量頻率和電流。但除此以外，還可以通過(guò)功能預(yù)置測(cè)量其他運(yùn)行數(shù)據(jù)，如：輸出電壓、轉(zhuǎn)矩、負(fù)載率、功率，以及PID 控制時(shí)的目標(biāo)值和反饋值等。
2．外接測(cè)量?jī)x表的處理
變頻器所提供的模擬量信號(hào)都是與被測(cè)參數(shù)成正比的低壓直流電壓或直流電流。不同變頻器的模擬量輸出信號(hào)也不一樣，主要有0 ～ 10V、0 ～ 20mA、0 ～ 1mA 等幾種，必須注意說(shuō)明書(shū)中的相關(guān)說(shuō)明。
市場(chǎng)上只能買(mǎi)到低壓的直流電壓表或直流毫安表。因此，需要進(jìn)行必要的技術(shù)處理。今以0 ～ 10V 的電壓表測(cè)量變頻器的輸出頻率和輸出電流為例，說(shuō)明如下：假設(shè)變頻器的最高頻率預(yù)置為0 ～ 50Hz，最大允許電流是100A。則儀表刻度盤(pán)上10V 的位置處，修改成50Hz 或100A 相對(duì)應(yīng)，如圖b）和圖c）所示的處理就可以了。
以此類(lèi)推，可以修改成任意需要測(cè)量的儀表就可以了。
5.8.2 自制制動(dòng)電阻
5.8.2.1 用電熱器件制作制動(dòng)電阻
1．制作要點(diǎn)
（1）電壓的匹配
由于電熱器件的額定電壓通常都是220V 的，而變頻器內(nèi)直流回路的電壓在正常情況下是513V，而允許值可達(dá)700V 或更高。所以，電熱器件的基本單元必須由三個(gè)串聯(lián)而成。
（2）電阻值的匹配
制動(dòng)電阻的電阻值常常是比較小的，經(jīng)過(guò)串聯(lián)后的電熱器單元的電阻值要大得多，所以，還必須由若干個(gè)單元并聯(lián)而成，如圖5-51 所示。
2．優(yōu)點(diǎn)
實(shí)踐證明，這種方法有諸多好處：
（1）價(jià)格低廉；
（2）電熱器件本身耐熱性能較好，不易損壞；
（3）一個(gè)制動(dòng)電阻通常由多個(gè)電熱器件組成，萬(wàn)一損壞，也不會(huì)一起損壞，而只損壞其中的一、二個(gè)，降低了維修成本。
3．制動(dòng)電阻的粗略算法因?yàn)椋?/div>
（1）在正常情況下，變頻器內(nèi)部的直流電壓等于513V 左右，而通常在UD>700V 時(shí)才接通制動(dòng)回路，
（2）三相交流異步電動(dòng)機(jī)的額定電流約等于其kW 數(shù)的2 倍。
4．計(jì)算實(shí)例
例1 一臺(tái)22kW 的異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后需要接入制動(dòng)電阻，用戶購(gòu)得的電熱器件是220V、5kW 的。取=1，代入式（5-30），所需要的并聯(lián)支路數(shù)是：n=0.4×=1.76取n=2須購(gòu)買(mǎi)6 個(gè)電熱器件，如圖5-52（a）所示。
例2 某龍門(mén)刨床的主電動(dòng)機(jī)容量等于55kW，用戶購(gòu)得的電熱器件是220V、10kW 的。因刨臺(tái)的慣性很大，取=1.5，代入式（5-30），所需要的并聯(lián)支路數(shù)是：n=0.4×1.5×=3.3取n=3須購(gòu)買(mǎi)9 個(gè)電熱器件，如圖（b）所示。
5.8.2.2 短時(shí)運(yùn)行的制動(dòng)電阻
1．短時(shí)運(yùn)行實(shí)例
以帶式輸煤機(jī)為例，如圖5-53a）所示，其運(yùn)行特點(diǎn)是：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的次數(shù)很少，在工作期間一般不停機(jī)。所以，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間既少又短。當(dāng)輸煤機(jī)停機(jī)時(shí)，變頻器的工作頻率下降，如圖（c）中的曲線①所示。因?yàn)檩斆簷C(jī)的慣性較大，故電動(dòng)機(jī)在減速過(guò)程中，變頻器的直流電壓迅速上升，如圖中的曲線②所示。當(dāng)直流電壓超過(guò)上限值700V 時(shí)，制動(dòng)單元BV 導(dǎo)通，電壓下降，如圖中的曲線③所示。當(dāng)電壓下降到650V 時(shí)，
制動(dòng)單元截止，制動(dòng)電阻里的電流下降為0A。制動(dòng)單元在電壓上升時(shí)的導(dǎo)通電壓和下降時(shí)的截止電壓之間存在著“回差”（700−650）=50V，這是為了避免制動(dòng)單元在700V 上下來(lái)回振蕩。在圖（c）中，制動(dòng)電阻通電的時(shí)間如圖中的曲線④所示，可以看出，通電時(shí)間tB 是十分短暫的。
2．短時(shí)運(yùn)行的制動(dòng)電阻
因?yàn)槭嵌虝r(shí)運(yùn)行，所以，即使制動(dòng)電阻里的電流超過(guò)額定電流，但因?yàn)橥姇r(shí)間很短，所產(chǎn)生的熱量不多，是允許的。因此，每一個(gè)支路中可以只串聯(lián)兩個(gè)電熱器件,如圖5-54 所示，串聯(lián)后的額定電壓只有440V，則：
5.8.3 自制制動(dòng)單元
5.8.3.1 制動(dòng)單元的框圖
1．制動(dòng)單元的作用
制動(dòng)單元BV 的作用是當(dāng)變頻器內(nèi)部的直流電壓UD超過(guò)限值UDH（通常為700V）時(shí)，BV 導(dǎo)通，使濾波電容上過(guò)高的直流電壓通過(guò)制動(dòng)電阻放電，從而把直流電壓限制在允許范圍內(nèi)，如圖5-55（a）所示。
2．制動(dòng)單元的構(gòu)成
（1）檢測(cè)電路
其作用是檢測(cè)直流電壓是否超過(guò)上限值UDH（ 如700V），如圖（b）所示。圖中：UA 是基準(zhǔn)電壓，就是和上限電壓UDH 對(duì)應(yīng)的電壓：
5.8.3.2 執(zhí)行電路的簡(jiǎn)化
1．問(wèn)題的核心
制動(dòng)單元中，價(jià)格最貴的是開(kāi)關(guān)器件。于是，進(jìn)行簡(jiǎn)化所要解決的核心問(wèn)題就是，能否使用比較價(jià)廉的開(kāi)關(guān)器件呢？
2．方案1—IGBT 的廢物利用
變頻器里的IGBT 模塊，大多是雙管模塊。而有許多雙管模塊都只損壞一個(gè)IGBT，另一個(gè)是好的，于是把并未損壞的半個(gè)IGBT模塊利用起來(lái)，作為制動(dòng)單元的開(kāi)關(guān)器件，如圖5-56（a）所示。
3．方案2—用接觸器代替
將三相交流接觸器的三對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)作為代替IGBT的開(kāi)關(guān)器件，如圖5-56（b）所示。之所以要把三個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，有兩個(gè)方面的原因：
（1）從耐壓考慮
用于380V 電路里的交流接觸器主觸點(diǎn)的額定電壓，通常是500V，而變頻器里直流回路的電壓可以高達(dá)700V，所以必須把三對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)。
（2）從滅弧考慮
這三個(gè)接觸器觸點(diǎn)是在直流電路里工作的，交流接觸器和直流接觸器的重要區(qū)別之一，就是滅弧系統(tǒng)很不一樣，交流接觸器的滅弧功能要簡(jiǎn)單得多，用三對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)，三個(gè)地方同時(shí)斷開(kāi)，有利于滅弧，如圖（b）所示。但實(shí)踐表明，接觸器觸點(diǎn)在斷開(kāi)時(shí)的火花仍較大，容
易損壞。所以在每對(duì)觸點(diǎn)旁都并聯(lián)一個(gè)電容器，如圖（b）所示。原理如下：接觸器的觸點(diǎn)在閉合狀態(tài)時(shí)，各電容器兩端的電壓都等于0V。所以，當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)后，由于電容器要充電，觸點(diǎn)兩端的電壓是逐漸增大的。實(shí)踐結(jié)果表明證明，火花會(huì)減小很多。
（3）電容器的選擇
電容量：（1~2）μF；耐壓：（500~1000）V。
5.8.3.3 檢測(cè)電路的簡(jiǎn)化
1．簡(jiǎn)化目的
圖5-55 中的檢測(cè)電路存在兩個(gè)問(wèn)題：
（1）采樣困難
因?yàn)镮GBT 驅(qū)動(dòng)電路所需電壓，通常在直流24V 以下，而被測(cè)電壓是變頻器里的直流電壓UD，其變化范圍高達(dá)（500~800）V。要在UD 中取出低于24V 的采樣電壓，非但精度不高，也涉及高、低壓之間的隔離等問(wèn)題。
（2）故障率偏高
在實(shí)際工作中，制動(dòng)單元發(fā)生故障的情況時(shí)有發(fā)生。一旦發(fā)生故障，常不能迅速修復(fù)，影響生產(chǎn)。
2．簡(jiǎn)化方法
2．簡(jiǎn)化方法
在生產(chǎn)機(jī)械減速過(guò)程中或重物下降過(guò)程中，直接接通執(zhí)行器件，具體方法如圖5-57 所示：
（1）起重機(jī)械
由控制吊鉤下行接觸器的輔助觸點(diǎn)或通過(guò)中間繼電器KA 來(lái)進(jìn)行控制。使吊鉤在每次向下運(yùn)行時(shí)，令VB 導(dǎo)通，制動(dòng)回路就處于放電狀態(tài)。
（2）停機(jī)控制
由停機(jī)按鈕通過(guò)中間繼電器KA 來(lái)進(jìn)行控制。使生產(chǎn)機(jī)械在每次停機(jī)時(shí)，使VB 導(dǎo)通，制動(dòng)回路就處于放電狀態(tài)。
（3）減速控制
從變頻器的多功能輸出端子中任取一個(gè)，將功能預(yù)置為“ 減速中”，則每當(dāng)變頻器的輸出頻率下降時(shí)，中間繼電器就得電，制動(dòng)回路就處于放電狀態(tài)。
3．簡(jiǎn)化前后的比較
假設(shè)變頻器的頻率下降過(guò)程如圖5-57（c）中的曲線①所示，經(jīng)制動(dòng)單元控制后，直流電壓的變化如曲線②所示，制動(dòng)電阻通電的狀態(tài)如曲線③所示。而簡(jiǎn)化控制后，制動(dòng)電阻通電的狀態(tài)如曲線④所示。比較曲線③和曲線④可知，簡(jiǎn)化后制動(dòng)電阻的通電時(shí)間略長(zhǎng)于簡(jiǎn)化前。嚴(yán)格地說(shuō)，會(huì)多消耗些功率的。但變頻器的減速時(shí)間總共也只有幾秒鐘，所增加的損耗功率微乎其微，是可以忽略不計(jì)的。
小小體會(huì)
在實(shí)際工作中，常常會(huì)逼迫你去思考一些臨時(shí)措施，而事后思考下來(lái)，覺(jué)得居然也是一種可行的方法。例如，有一次的半夜兩點(diǎn)鐘，陜西的一位讀者打電話來(lái)，說(shuō)廠里提升機(jī)用變頻器的制動(dòng)單元壞了，而提升機(jī)一旦停下來(lái)，全廠的生產(chǎn)將陷入癱瘓。我略加思索，就告訴他按圖5-57b）所示的方法試試看，結(jié)果很快解決了問(wèn)題。后來(lái)想想，這種方法應(yīng)該是可以推廣的。
5.9 變頻器的PID 功能淺說(shuō)
撰寫(xiě)背景
有讀者反映，關(guān)于PID 調(diào)節(jié)的概念，總覺(jué)得比較深?yuàn)W，一般的工人師傅難以理解。能不能講解得讓技校畢業(yè)的電工師傅們也能看得懂？我根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，嘗試著如下的講解。
5.9.1 基本概念
5.9.1.1 閉環(huán)控制的目的
以空氣壓縮機(jī)的為例，要求儲(chǔ)氣罐里的空氣壓力保持恒定，稱(chēng)為恒壓控制。閉環(huán)控制的目的，就是要實(shí)現(xiàn)恒壓控制。
5.9.1.2 閉環(huán)控制運(yùn)行特點(diǎn)
假設(shè)所要求的壓力是PT，稱(chēng)為目標(biāo)值；而實(shí)際測(cè)出的壓力是PF，稱(chēng)為反饋值。則：
1. PF
