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小孫又到張老師家里，就迫不及待地拿出一張單子，打算開始提問了。

“慢，”張老師見狀，做了個(gè)等一等的手勢。然后說：

“我先問你，變頻器在變頻的同時(shí)，為什么還要變壓？”

“要保持電動(dòng)機(jī)里的磁通不變?！毙O因?yàn)橐呀?jīng)預(yù)習(xí)過了，所以回答得很痛快。

“如果電壓不隨頻率改變的話，磁通為什么就要變化了呢？”張老師又問。

變頻還須變壓

“這個(gè)么，”小孫有點(diǎn)抓耳撓腮了。他這幾天翻了一些書，好象是要用公式推導(dǎo)的，三言兩語說不大清楚。于是說：“好象知道一點(diǎn)，但不是很清楚，還是請老師講一講吧?！?/p>

“我們先看一看異步電動(dòng)機(jī)的能量關(guān)系吧。”張老師又拿出了一張圖，如圖1－31。

接著說：“電動(dòng)機(jī)輸入的是三相電功率，計(jì)算公式是：

式中的‘9550’是單位換算的系數(shù)。就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)矩的單位用N2m，轉(zhuǎn)速的單位用r/min時(shí)，則除以9550 后，算出的功率單位就是kW 了。

很明顯，輸出功率的大小是和頻率有關(guān)系的，因?yàn)轭l率下降了，轉(zhuǎn)速也跟著下降，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的話，輸出功率也必下降。

電動(dòng)機(jī)從輸入電能，到輸出機(jī)械能，中間是怎樣轉(zhuǎn)換的呢？原來，轉(zhuǎn)子繞組因?yàn)榍懈盍诵D(zhuǎn)磁場的磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，所產(chǎn)生的電流又和磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。顯然，中間起能量的傳遞和轉(zhuǎn)換作用的是磁場能，其功率稱為電磁功率，用PM 表示。而電磁功率的具體體現(xiàn)就是磁通的大小。

現(xiàn)在來看看頻率減小后的情形：當(dāng)頻率下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速必跟著下降。如上述，電動(dòng)機(jī)的輸入功率并無直接影響，但輸出功率卻減小了。其結(jié)果，必然是電磁功率的增加。就好象一個(gè)人吃得挺多，卻不大活動(dòng)，消耗得少，于是肚子就大了起來，人們常戲稱之為‘中部崛起’。但人的‘中部崛起’，主要是體型難看一點(diǎn)，還不至于馬上就死。電動(dòng)機(jī)的‘中部崛起’是內(nèi)在的，“體型”并無變化，它不會(huì)發(fā)胖，然而，它卻要冒煙了，活不成了。”

“磁通多了也會(huì)發(fā)熱嗎？我只知道電流大了要發(fā)熱?！毙O問。

“你說得對，發(fā)熱的主要因素是電流。雖然磁通多了，渦流損失和磁滯損失也會(huì)增加，但到不了冒煙的程度。問題在于，磁通的大小將影響到勵(lì)磁電流?！睆埨蠋熞贿呎f，一邊拿出了圖1－32。

“電動(dòng)機(jī)磁路里的磁通和勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，服從磁化曲線的規(guī)律，如圖（a）所示。其特點(diǎn)是：在起始階段，磁通大小和勵(lì)磁電流是呈線性關(guān)系變化的，如曲線①之OA段。但鐵心里的磁通大到一定程度后，磁路要飽和

就是說，勵(lì)磁電流再增加，磁通就增加得緩慢了，如曲線①之AB段。勵(lì)磁電流如果繼續(xù)增加，磁通幾乎不再增加了，這叫做深度飽和，如曲線①之B點(diǎn)以后。

當(dāng)線圈中通入交變電流時(shí)，磁通和電流的波形如圖（b）和圖（c）所示。圖（b）是磁化曲線處于線性段的情形，其特點(diǎn)是：要得到曲線②所示的磁通，只需要很小的勵(lì)磁電流，（如曲線③所示）就可以了。圖（c）是磁路飽和后的情形，其特點(diǎn)是：磁通增加得不多，如曲線④所示，但所需的勵(lì)磁電流卻很大。并且，勵(lì)磁電流的波形發(fā)生了畸變，產(chǎn)生了尖峰電流，如曲線⑤所示?！?/p>

“啊，我明白了。電磁功率‘中部崛起’的結(jié)果，是磁路飽和，勵(lì)磁電流大幅增加，并且發(fā)生畸變，所以繞組要冒煙。歸根結(jié)底，還是電流大了導(dǎo)致繞組發(fā)熱的?！毙O對于自己這一段小結(jié)，頗有點(diǎn)得意的感覺。

張老師微笑著點(diǎn)了點(diǎn)頭，接著問：“那怎樣‘減肥’呢？”

小孫本來想回答：“減小電壓唄”。卻被老張那風(fēng)趣的問話弄得不知所措了，只好聳了聳肩，意思是還是請老師講吧。只聽張老師說：“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明，減肥的有效方法是節(jié)制飲食。就是說，要少吃一點(diǎn)。那么，看看電動(dòng)機(jī)的輸入功率吧，輸入功率的主要因素是電壓和電流。電流是不能減小的，因?yàn)殡娏饕脕懋a(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的，電磁轉(zhuǎn)矩小了，是帶不動(dòng)負(fù)載的。所以，‘少吃’一點(diǎn)的唯一方法，就是降低電壓了?！?/p>

“真有意思?！毙O聽得入神了。

“當(dāng)然這是定性的、形象化的說法。”張老師接著拿出一張白紙來，看樣子是要寫字了。

“電動(dòng)機(jī)里，直接反映磁通大小的，是定子繞組的反電動(dòng)勢E1，它的計(jì)算公式是：

所以，改變頻率的同時(shí)，也要改變電壓。但要注意，式（1－6）只是一種近似的替代方法，并不能真正保持磁通不變。

變頻器的變壓手段

下面的問題是怎樣實(shí)現(xiàn)變頻的同時(shí)也變壓？”張老師捧起了茶杯，眼睛瞧著小孫，仿佛說：你對這個(gè)問題了解到什么程度呢？

“這個(gè)問題我大概能夠說清楚。”小孫大著膽子說。接著，從張老師的一堆圖畫里，找出了一張圖1－33，仔細(xì)地看了一會(huì)兒，然后說。

“把變頻器的輸出電壓分成許多個(gè)小脈沖，并假設(shè)每半個(gè)周期中，小脈沖的個(gè)數(shù)是一定的。那么，當(dāng)這些小脈沖之間的間隔很小時(shí)，總的周期較小，而脈沖的占空比則較大，半個(gè)周期中的平均電壓也較大，如圖（a）所示；

反之，當(dāng)這些小脈沖之間的間隔較大時(shí)，總的周期就增大了，而脈沖的占空比則變小了，平均電壓也降低了，如圖（b）所示。占空比的定義么，是：

變頻器實(shí)際輸出的脈沖不是等寬的，而是使脈沖的占空比按正弦規(guī)律分布，叫作正弦脈寬調(diào)制，如圖（c）那樣，代號是SPWM。

至于這正弦脈寬調(diào)制波形的產(chǎn)生么，好象是求正弦波和三角波的交點(diǎn)得到。”小孫用了“好象”兩個(gè)字，意思是，我不大清楚了，請老師說吧。 “我們先從比較容易看明白的單極性調(diào)制說起吧?！睆埨蠋熣f著，找出了圖1－34。

“總的來說，SPWM脈沖序列，是通過求正弦波和三角波的交點(diǎn)得到的，如圖所示。三角波稱為載波，正弦波稱為調(diào)制波。所謂‘單極性’，是指在半個(gè)周期內(nèi)，正弦波和三角波的極性是不變的。調(diào)節(jié)頻率和電壓時(shí)，三角波的頻率和振幅基本不變，只改變正弦波的頻率和振幅。圖（a）所示，是頻率較高時(shí)的情形，圖（b）所示，是頻率較低時(shí)的情形。

現(xiàn)在的變頻器里，單極性調(diào)制基本不用。實(shí)際用的是雙極性調(diào)制方式，如圖1－35所示。

所謂雙極性調(diào)制，是指正弦波和三角波都是雙極性的，如圖（a）所示。雙極性調(diào)制得到的相電壓脈沖序列如圖（b）所示，很難看出它的變化規(guī)律來。但是，當(dāng)把它們合成為線電壓時(shí)，其脈沖序列就和單極性調(diào)制的波形一樣了，如圖（c）的所示。

雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)是，同一橋臂的上下兩個(gè)逆變管總是交替導(dǎo)通的。就是說，每相脈沖序列的正半周作為V1管的驅(qū)動(dòng)信號，則其負(fù)半周經(jīng)反相后作為V2管的驅(qū)動(dòng)信號，如圖1－36所示?！?/p>

只見小孫從皮包里拿出了一張圖，說：“我用示波器觀察過不同頻率時(shí)的電壓波形，粗略的畫出了半個(gè)周期的波形，大致如圖1－37那樣。圖（a）所示，是50 Hz時(shí)的波形，電壓有效值是380V；圖（b）所示，是25 Hz時(shí)的波形，電壓有效值是190V；圖（c）所示，是10 Hz時(shí)的波形，電壓有效值是76V。不知對不對？”

“很好，很好！”張老師高興地贊揚(yáng)說?！安贿^，要是深入地探究起來，則10 Hz時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)可能要多一些，這是技術(shù)處理方面的問題了，我們主要著眼于應(yīng)用，就不必深究了。此外，實(shí)際應(yīng)用中，25 Hz時(shí)的電壓不一定是190V，10 Hz時(shí)的電壓也不一定是76V。這個(gè)問題，留待后面討論。還有問題么？”

“有！”小孫仿佛想起了什么似地，拍了拍腦袋說：

“有一次，有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里配了一臺(tái)變頻器，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室本來是很安靜的，所以，電動(dòng)機(jī)的電磁噪音就顯得很刺耳。我按照說明書的說明，把載波頻率從原來的4kHz調(diào)高到10kHz，結(jié)果，電磁噪音倒是聽不見了，但發(fā)現(xiàn)變頻器的輸出電流增大了，

不知什么原因？” “這實(shí)際上是變頻器的輸出電壓減小了的結(jié)果?！睆埨蠋熣f。 載波頻率的影響“輸出電壓和載波頻率有關(guān)么？”小孫感到奇怪。

“有啊！”張老師又找出了一張圖1－38。并且指著圖說：

“同一橋臂的上下兩個(gè)逆變管在交替導(dǎo)通過程中，必須保證原來導(dǎo)通的逆變管（如V1）充分截止后，才允許另一個(gè)逆變管（V2）導(dǎo)通。而V1從飽和導(dǎo)通到完全截止之間，是需要‘關(guān)斷時(shí)間’的。因此，在兩管交替導(dǎo)通時(shí)，需要有一個(gè)等待時(shí)間，通常稱為‘死區(qū)’，即圖（b）中之δt。死區(qū)是不工作的，載波頻率較高時(shí)，一個(gè)周期里死區(qū)的個(gè)數(shù)就多了，則不工作的總時(shí)間也多了，變頻器的輸出電壓就要下降了，如圖（c）所示?！?“啊，”小孫盯著圖看，不禁驚呼起來：“載波頻率為4kHz時(shí)，輸出電壓還是100%，到10kHz時(shí)，電壓只有90%了，怪不得電流要增大了。 那么，載波頻率對變頻器的允許輸出電流有影響么？”

“答案是肯定的?！敝灰姀埨蠋熡帜贸隽藞D1－39，然后說：“這有兩個(gè)方面的原因：

第一個(gè)原因，是輸電線路之間，以及電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各相繞組之間，都存在著分布電容C0，如圖（a）所示。載波頻率越高，分布電容的容抗XC0就越小，通過分布電容的漏電流IC0越大，增加了逆變管的負(fù)擔(dān)，逆變管提供給電動(dòng)機(jī)的允許電流就減小了。

第二個(gè)原因，前面講過，逆變管在開關(guān)過程中，是要消耗功率的。不消說，載波頻率高了，會(huì)增加開關(guān)損失，使逆變管的溫升升高，逆變管的允許輸出電流當(dāng)然也要減小了，如圖（b）所示?！?/p>

“今天的內(nèi)容真豐富，我先記一記筆記，回去還要好好消化呢?！?/p>

回到公司后，他想起，有一臺(tái)機(jī)器控制柜的電壓表是顯示變頻器輸出電壓的。所以第二天上午，他就告訴操作工王師傅說，這塊表的讀數(shù)是要隨頻率而下降的。

小  孫  的  筆  記

1．電動(dòng)機(jī)里的磁通，太小了會(huì)影響帶負(fù)載能力，太大了又會(huì)使磁路飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流畸變，產(chǎn)生很大的尖峰電流。磁通大小應(yīng)盡量保持不變。

2．磁通的大小與反電動(dòng)勢和頻率之比成正比。因此，保持磁通不變的基本途徑，就是在改變頻率的同時(shí)，也改變反電動(dòng)勢。但反電動(dòng)勢無法人為地進(jìn)行控制，所以，用改變電壓來近似地代替改變反電動(dòng)勢，使磁通近似地保持不變。

3．變頻器里普遍采用脈寬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的。所以，變頻器的輸出電壓是按一定規(guī)律改變占空比的系列脈沖波。系列脈沖的頻率稱為載波頻率，或開關(guān)頻率。

4．載波頻率對變頻器輸出側(cè)的影響 （1）對輸出電壓的影響 逆變橋每個(gè)橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)器件總是處于交替導(dǎo)通的狀態(tài)。在交替導(dǎo)通的過程中，需要設(shè)臵?死區(qū)?，以保證兩個(gè)開關(guān)器件不可能同時(shí)導(dǎo)通。載波頻率高，則交替的次數(shù)多，死區(qū)的個(gè)數(shù)多，死區(qū)的總時(shí)間大，變頻器的輸出電壓將有所下降。 （2）對輸出電流的影響 載波頻率高，一方面，會(huì)使通過線路間及各相繞組間分布電容的漏電流增加，另一方面，IGBT的開關(guān)損耗也增加，IGBT管容易發(fā)熱。所以，變頻器的允許輸出電流將減小。

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