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，做了個等一等的手勢。然后說：
“我先問你，變頻器在變頻的同時，為什么還要變壓？”
“要保持電動機里的磁通不變。”小孫因為已經預習過了，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
“這個么，”小孫有點抓耳撓腮了。他這幾天翻了一些書，好象是要用公式推導的，三言兩語說不大清楚。于是說：“好象知道一點，但不是很清楚，還是請老師講一講吧。”
“我們先看一看異步電動機的能量關系吧。”張老師又拿出了一張圖，如圖1－31。
接著說：“電動機輸入的是三相電功率，計算公式是：
式中的‘9550’是單位換算的系數。就是說，當轉矩的單位用N2m，轉速的單位用r/min時，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系的，因為頻率下降了，轉速也跟著下降，如果負載轉矩不變的話，輸出功率也必下降。
電動機從輸入電能，到輸出機械能，中間是怎樣轉換的呢？原來，轉子繞組因為切割了旋轉磁場的磁力線而產生感應電流，所產生的電流又和磁場相互作用而產生電磁轉矩，使轉子旋轉。顯然，中間起能量的傳遞和轉換作用的是磁場能，其功率稱為電磁功率，用PM 表示。而電磁功率的具體體現就是磁通的大小。
現在來看看頻率減小后的情形：當頻率下降時，電動機的轉速必跟著下降。如上述，電動機的輸入功率并無直接影響，但輸出功率卻減小了。其結果，必然是電磁功率的增加。就好象一個人吃得挺多，卻不大活動，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，還不至于馬上就死。電動機的‘中部崛起’是內在的，“體型”并無變化，它不會發胖，然而，它卻要冒煙了，活不成了。”
“磁通多了也會發熱嗎？我只知道電流大了要發熱。”小孫問。
“你說得對，發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磁電流。”張老師一邊說，一邊拿出了圖1－32。
“電動機磁路里的磁通和勵磁電流之間的關系，服從磁化曲線的規律，如圖（a）所示。其特點是：在起始階段，磁通大小和勵磁電流是呈線性關系變化的，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，勵磁電流再增加，磁通就增加得緩慢了，如曲線①之AB段。勵磁電流如果繼續增加，磁通幾乎不再增加了，這叫做深度飽和，如曲線①之B點以后。
當線圈中通入交變電流時，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，其特點是：要得到曲線②所示的磁通，只需要很小的勵磁電流，（如曲線③所示）就可以了。圖（c）是磁路飽和后的情形，其特點是：磁通增加得不多，如曲線④所示，但所需的勵磁電流卻很大。并且，勵磁電流的波形發生了畸變，產生了尖峰電流，如曲線⑤所示。”
“啊，我明白了。電磁功率‘中部崛起’的結果，是磁路飽和，勵磁電流大幅增加，并且發生畸變，所以繞組要冒煙。歸根結底，還是電流大了導致繞組發熱的。”小孫對于自己這一段小結，頗有點得意的感覺。
張老師微笑著點了點頭，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：“現代醫學證明，減肥的有效方法是節制飲食。就是說，要少吃一點。那么，看看電動機的輸入功率吧，輸入功率的主要因素是電壓和電流。電流是不能減小的，因為電流要用來產生電磁轉矩的，電磁轉矩小了，是帶不動負載的。所以，‘少吃’一點的唯一方法，就是降低電壓了。”
“真有意思。”小孫聽得入神了。
“當然這是定性的、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。
“電動機里，直接反映磁通大小的，是定子繞組的反電動勢E1，它的計算公式是：
所以，改變頻率的同時，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現變頻的同時也變壓？”張老師捧起了茶杯，眼睛瞧著小孫，仿佛說：你對這個問題了解到什么程度呢？
“這個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，仔細地看了一會兒，然后說。
“把變頻器的輸出電壓分成許多個小脈沖，并假設每半個周期中，小脈沖的個數是一定的。那么，當這些小脈沖之間的間隔很小時，總的周期較小，而脈沖的占空比則較大，半個周期中的平均電壓也較大，如圖（a）所示；
反之，當這些小脈沖之間的間隔較大時，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：
變頻器實際輸出的脈沖不是等寬的，而是使脈沖的占空比按正弦規律分布，叫作正弦脈寬調制，如圖（c）那樣，代號是SPWM。
至于這正弦脈寬調制波形的產生么，好象是求正弦波和三角波的交點得到。”小孫用了“好象”兩個字，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制說起吧。”張老師說著，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得到的，如圖所示。三角波稱為載波，正弦波稱為調制波。所謂‘單極性’，是指在半個周期內，正弦波和三角波的極性是不變的。調節頻率和電壓時，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，是頻率較高時的情形，圖（b）所示，是頻率較低時的情形。
現在的變頻器里，單極性調制基本不用。實際用的是雙極性調制方式，如圖1－35所示。
所謂雙極性調制，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律來。但是，當把它們合成為線電壓時，其脈沖序列就和單極性調制的波形一樣了，如圖（c）的所示。
雙極性調制的工作特點是，同一橋臂的上下兩個逆變管總是交替導通的。就是說，每相脈沖序列的正半周作為V1管的驅動信號，則其負半周經反相后作為V2管的驅動信號，如圖1－36所示。”
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的電壓波形，粗略的畫出了半個周期的波形，大致如圖1－37那樣。圖（a）所示，是50 Hz時的波形，電壓有效值是380V；圖（b）所示，是25 Hz時的波形，電壓有效值是190V；圖（c）所示，是10 Hz時的波形，電壓有效值是76V。不知對不對？”
“很好，很好！”張老師高興地贊揚說。“不過，要是深入地探究起來，則10 Hz時的脈沖個數可能要多一些，這是技術處理方面的問題了，我們主要著眼于應用，就不必深究了。此外，實際應用中，25 Hz時的電壓不一定是190V，10 Hz時的電壓也不一定是76V。這個問題，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，有一個實驗室里配了一臺變頻器，因為實驗室本來是很安靜的，所以，電動機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調高到10kHz，結果，電磁噪音倒是聽不見了，但發現變頻器的輸出電流增大了，
不知什么原因？” “這實際上是變頻器的輸出電壓減小了的結果。”張老師說。 載波頻率的影響“輸出電壓和載波頻率有關么？”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逆變管在交替導通過程中，必須保證原來導通的逆變管（如V1）充分截止后，才允許另一個逆變管（V2）導通。而V1從飽和導通到完全截止之間，是需要‘關斷時間’的。因此，在兩管交替導通時，需要有一個等待時間，通常稱為‘死區’，即圖（b）中之δt。死區是不工作的，載波頻率較高時，一個周期里死區的個數就多了，則不工作的總時間也多了，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，輸出電壓還是100%，到10kHz時，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。”只見張老師又拿出了圖1－39，然后說：“這有兩個方面的原因：
第一個原因，是輸電線路之間，以及電動機內部的各相繞組之間，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，增加了逆變管的負擔，逆變管提供給電動機的允許電流就減小了。
第二個原因，前面講過，逆變管在開關過程中，是要消耗功率的。不消說，載波頻率高了，會增加開關損失，使逆變管的溫升升高，逆變管的允許輸出電流當然也要減小了，如圖（b）所示。”
“今天的內容真豐富，我先記一記筆記，回去還要好好消化呢。”
回到公司后，他想起，有一臺機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，這塊表的讀數是要隨頻率而下降的。
小 孫 的 筆 記
1．電動機里的磁通，太小了會影響帶負載能力，太大了又會使磁路飽和，導致勵磁電流畸變，產生很大的尖峰電流。磁通大小應盡量保持不變。
2．磁通的大小與反電動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，也改變反電動勢。但反電動勢無法人為地進行控制，所以，用改變電壓來近似地代替改變反電動勢，使磁通近似地保持不變。
3．變頻器里普遍采用脈寬調制的方法來實現調壓調速的。所以，變頻器的輸出電壓是按一定規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，或開關頻率。
4．載波頻率對變頻器輸出側的影響 （1）對輸出電壓的影響 逆變橋每個橋臂的上、下兩個開關器件總是處于交替導通的狀態。在交替導通的過程中，需要設臵?死區?，以保證兩個開關器件不可能同時導通。載波頻率高，則交替的次數多，死區的個數多，死區的總時間大，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的開關損耗也增加，IGBT管容易發熱。所以，變頻器的允許輸出電流將減小。
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