变频器应用的问题

变频器应用中的几个问题:
关于制动电阻的选择，也是读者询问得较多的一个问题，归纳起来，大致有以下三个方面:(1)各种资料对于准确计算制动电阻的方法比较一致或接近，但不易计算，尤其是难以得到拖动系统的飞轮力矩(GD2)的数据;(2)各种资料介绍的近似算法的计算结果不大一致，难以适从;(3)按照说明书配置的制动电阻，也会冒烟或烧坏，不知何故？ 
1 基础知识 
1.1 变频调速系统的降速过程 
众所周知，在变频调速系统中，电动机是通过不断地降低频率来减速的。随着频率的下降，同步转速(旋转磁场的转速)也下降，电动机转子的实际转速超过了同步转速，转子绕组因正方向切割磁力线而处于再生制动状态。再生的电能反馈给直流回路，产生泵升电压。 
从机械特性上看，通过降低频率而减速的过程如图1所示。 
(1) 降速前的工作状态 
假设降速前拖动系统的运行频率是f1，电动机的机械特性为曲线①;负载为恒转矩性质，阻转矩为TL(为简便起见，假设TL中已包括损耗转矩在内)。 
这时，工作点为Q点，电动机的电磁转矩TM与负载转矩TL相平衡:TM＝TL。 
(2) 拖动系统的降速过程 
首先，频率下降为f2，机械特性变为曲线②，由于在频率刚下降的瞬间，拖动系统的转速因惯性而尚未改变，故工作点跳变到曲线②的Q1'点，进入第二象限，电动机处于再生状态，电磁转矩为“－”值，拖动系统的转速延曲线②下降; 
当下降到第一象限的Q1"点时，频率又下降为f3，机械特性变为曲线③，工作点跳变到Q2'点，再一次进入第二象限，……。 
以此类推。 
图1所示的过程是被大大地放大了的，实际每两档频率之间的间隔要小得多。 
从以上的降速过程可以看出，每次频率下降时，电动机只有部分时间处于再生制动状态，如图中阴影部分所示。所以，反馈到直流电路的电压是脉冲式的，这就是被称为“泵升电压”的原因。 
1.2 与泵升电压有关的因素 
泵升电压的大小取决于转子绕组(鼠笼条)正方向切割磁力线的速度。具体地说，这取决于当频率(从而同步转速)下降时，转子能否及时地跟随频率一起下降。从机械特性上看，则取决于每次频率变换时转折点的位置，如图中之Q1"、Q2"、Q3"……。 
但变频器在频率下降过程中，每两档频率之间的差是恒定的，因此泵升电压的大小主要与下列因素有关: 
(1) 拖动系统的飞轮力矩GD2 
飞轮力矩大，则拖动系统的实际转速将因惯性大而下降得比较缓慢，频率变换时转折点的位置将左移，使泵升电压增大。 
(2)降速时间tB 
降速时间越短，则频率下降越快，拖动系统的实际转速还没来得及下降多少，给定频率却又下降了，结果，频率变换时转折点的位置也左移，使泵升电压增大。 
在实际工作中，降速的快慢可以看成是一个和惯性大小相关的相对概念。例如，降速时间预置为10s，对于一个惯性较大的系统来说，可能是太快了;但在惯性较小的系统中，则显然是太慢了。以这样的认识为基础，则降速快慢与泵升电压的关系如图2所示:如预置的降速时间较长，如图中(a)所示，则频率变换时转折点的位置右移，如图中(b)所示。其结果是泵升电压较小，达不到直流电压的上限值，如图中(c)所示。反之，如预置的降速时间较短，如图中(d)那样，则频率变换时转折点的位置左移，如图中(e)所示。其结果是泵升电压增大，超过了直流电压的上限值，如图中(f)所示。 
1.3 损耗转矩 
拖动系统里存在着各种各样的损失，如磨擦损失、通风损失等等，这些损失构成的损耗转矩将帮助拖动系统降速。从能量的观点讲，这些损失要消耗功率，在电动机处于再生状态时，消耗的是再生功率，从而抑制泵升电压的增加。据一般估计，损耗转矩约为电动机额定转矩的20%。也就是说，损失功率能产生约20%TMN(电动机的额定转矩)的制动转矩。当系统的惯性很小或降速时间很长时，整个降速过程都是在电动机状态下进行，如图3中(b)所示。因此，泵升电压为0，直流电压稳定在额定值UDN。图中(d)所示是直流电压的测试点。 

2 制动电阻的准确计算 
2.1 准确计算制动电阻的依据 
(1) 拖动系统对降速过程的要求 
(a)预置的降速时间 (b)降速过程 
(c)泵升电压为0 (d)电路的测试点 
td─转速从n1降至n2所需的时间，s; 
TL'─负载阻转矩的折算值，N•ｍ。 
(2) 制动电阻的计算值 
在计算制动电阻时，TB中应把损耗转矩(20%TMN)减去。根 (3) 
式中:RB─制动电阻的计算值，Ω; 
UDH─直流回路电压的允许上限值，V; 
TMN─电动机的额定转矩,N•ｍ。 
在计算式(3)时，需要说明的是: 
① 关于直流电压的上限值UDH 
在三相线电压为380V的情况下，根据国家对电压波动上限值的规定，有: 
UDH≥380×√2×1.2=645V 
但大多数变频器中，对于制动单元的动作电压，均取UDH=700V。 
② 关于降速前的电动机转速nM1 
生产机械在运行过程中，nM1常常是变化的，是不大可能确定的。在实际计算中，可以用电动机的额定转速nMN代入。 

3 制动电阻的近似计算 
上面介绍的计算制动电阻的方法虽然比较准确，但也相当麻烦。从实际应用角度看，必要性也不大。因此，许多变频器的使用说明书上给出了一些近似计算的方法，也有的直接提供了供用户选用的制动电阻的规格。下面介绍几种主要的近似计算法。 
3.1 近似计算方法 
笔者搜集到的较有代表性的近似计算方法主要有以下几种: 
方法1 (见于VLT5000变频器(丹麦丹佛斯)说明书) (4) 
式中:PMN─电动机的额定容量;常数“478801”是按UDH＝850V计算而确定的，如要减小UDH值，可按比例减小。 
根据式(4)计算结果选用制动电阻时，所得制动转矩TB为: 
TB≈1.6PMN (5) 
方法2 (见于明电VT230S变频器(日本)说明书) (6) 
式中:常数“593”是针对400V级别变频器的;TB是所需要的制动转矩。 
方法3 (根据各说明书提供的数据统计而得) 
当通过制动电阻的电流等于电动机额定电流的50%时，所得到的制动转矩约等于电动机的额定转矩，归纳如下: (7) 
(8) 
则TB≈TMN (9) 
3.2 制动电阻的取值范围 
各变频器生产厂家为了减少制动电阻的阻值档次，常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值的制动电阻。因此，在制动过程中所得到的制动转矩的差异是较大的。 
(1) 制动转矩的取值范围 
TB＝(0.8～2.0)TMN (10) 
(2) 制动电阻的取值范围 (11) 
由此也可看出，制动电阻的大小是允许在一定范围内变动的。 
γB值的取值大致如图6中(b)所示，这实际上是图5所示的电阻温升曲线的倒置。由图可以看出: 
① 如降速时间tB＜0.3