告诉你学习变频器的变频变压

小孙又到张老师家里，就迫不及待地拿出一张单子，打算开始提问了。

“慢，”张老师见状，做了个等一等的手势。然后说：

“我先问你，变频器在变频的同时，为什么还要变压？”

“要保持电动机里的磁通不变。”小孙因为已经预习过了，所以回答得很痛快。

“如果电压不随频率改变的话，磁通为什么就要变化了呢？”张老师又问。

变频还须变压

“这个么，”小孙有点抓耳挠腮了。他这几天翻了一些书，好象是要用公式推导的，三言两语说不大清楚。于是说：“好象知道一点，但不是很清楚，还是

请老师讲一讲吧。”

“我们先看一看异步电动机的能量关系吧。”张老师又拿出了一张图，如图1－31。

接着说：“电动机输入的是三相电功率，计算公式是：

式中的‘9550’是单位换算的系数。就是说，当转矩的单位用N²m，转速的单位用r/min时，则除以9550 后，算出的功率单位就是kW 了。

很明显，输出功率的大小是和频率有关系的，因为频率下降了，转速也跟着下降，如果负载转矩不变的话，输出功率也必下降。

电动机从输入电能，到输出机械能，中间是怎样转换的呢？原来，转子绕组因为切割了旋转磁场的磁力线而产生感应电流，所产生的电流又和磁场相互作用而产生电磁转矩，使转子旋转。显然，中间起能量的传递和转换作用的是磁场能，其功率称为电磁功率，用PM 表示。而电磁功率的具体体现就是磁通的大小。

现在来看看频率减小后的情形：当频率下降时，电动机的转速必跟着下降。如上述，电动机的输入功率并无直接影响，但输出功率却减小了。其结果，必然是电磁功率的增加。就好象一个人吃得挺多，却不大活动，消耗得少，于是肚子就大了起来，人们常戏称之为‘中部崛起’。但人的‘中部崛起’，主要是体型难看一点，还不至于马上就死。电动机的‘中部崛起’是内在的，“体型”并无变化，它不会发胖，然而，它却要冒烟了，活不成了。”

“磁通多了也会发热吗？我只知道电流大了要发热。”小孙问。

“你说得对，发热的主要因素是电流。虽然磁通多了，涡流损失和磁滞损失也会增加，但到不了冒烟的程度。问题在于，磁通的大小将影响到励磁电流。”张老师一边说，一边拿出了图1－32。

“电动机磁路里的磁通和励磁电流之间的关系，服从磁化曲线的规律，如图（a）所示。其特点是：在起始阶段，磁通大小和励磁电流是呈线性关系变化的，如曲线①之OA段。但铁心里的磁通大到一定程度后，磁路要饱和。就是说，励磁电流再增加，磁通就增加得缓慢了，如曲线①之AB段。励磁电流如果继续增加，磁通几乎不再增加了，这叫做深度饱和，如曲线①之B点以后。

当线圈中通入交变电流时，磁通和电流的波形如图（b）和图（c）所示。图（b）是磁化曲线处于线性段的情形，其特点是：要得到曲线②所示的磁通，只需要很小的励磁电流，（如曲线③所示）就可以了。图（c）是磁路饱和后的情形，其特点是：磁通增加得不多，如曲线④所示，但所需的励磁电流却很大。并且，励磁电流的波形发生了畸变，产生了尖峰电流，如曲线⑤所示。”

“啊，我明白了。电磁功率‘中部崛起’的结果，是磁路饱和，励磁电流大幅增加，并且发生畸变，所以绕组要冒烟。归根结底，还是电流大了导致绕组发热的。”小孙对于自己这一段小结，颇有点得意的感觉。

张老师微笑着点了点头，接着问：“那怎样‘减肥’呢？”

小孙本来想回答：“减小电压呗”。却被老张那风趣的问话弄得不知所措了，只好耸了耸肩，意思是还是请老师讲吧。只听张老师说：“现代医学证明，减肥的有效方法是节制饮食。就是说，要少吃一点。那么，看看电动机的输入功率吧，输入功率的主要因素是电压和电流。电流是不能减小的，因为电流要用来产生电磁转矩的，电磁转矩小了，是带不动负载的。所以，‘少吃’一点的唯一方法，就是降低电压了。”

“真有意思。”小孙听得入神了。

“当然这是定性的、形象化的说法。”张老师接着拿出一张白纸来，看样子是要写字了。

“电动机里，直接反映磁通大小的，是定子绕组的反电动势E1，它的计算公式是：

所以，改变频率的同时，也要改变电压。但要注意，式（1－6）只是一种近似的替代方法，并不能真正保持磁通不变。

变频器的变压手段

下面的问题是怎样实现变频的同时也变压？”张老师捧起了茶杯，眼睛瞧着小孙，仿佛说：你对这个问题了解到什么程度呢？

“这个问题我大概能够说清楚。”小孙大着胆子说。接着，从张老师的一堆图画里，找出了一张图1－33，仔细地看了一会儿，然后说。

“把变频器的输出电压分成许多个小脉冲，并假设每半个周期中，小脉冲的个数是一定的。那么，当这些小脉冲之间的间隔很小时，总的周期较小，而脉冲的占空比则较大，半个周期中的平均电压也较大，如图（a）所示；

反之，当这些小脉冲之间的间隔较大时，总的周期就增大了，而脉冲的占空比则变小了，平均电压也降低了，如图（b）所示。占空比的定义么，是：

变频器实际输出的脉冲不是等宽的，而是使脉冲的占空比按正弦规律分布，叫作正弦脉宽调制，如图（c）那样，代号是SPWM。

至于这正弦脉宽调制波形的产生么，好象是求正弦波和三角波的交点得到。”小孙用了“好象”两个字，意思是，我不大清楚了，请老师说吧。 “我们先从比较容易看明白的单极性调制说起吧。”张老师说着，找出了图1－34。

“总的来说，SPWM脉冲序列，是通过求正弦波和三角波的交点得到的，如图所示。三角波称为载波，正弦波称为调制波。所谓‘单极性’，是指在半个周期内，正弦波和三角波的极性是不变的。调节频率和电压时，三角波的频率和振幅基本不变，只改变正弦波的频率和振幅。图（a）所示，是频率较高时的情形，图（b）所示，是频率较低时的情形。

现在的变频器里，单极性调制基本不用。实际用的是双极性调制方式，如图1－35所示。

所谓双极性调制，是指正弦波和三角波都是双极性的，如图（a）所示。双极性调制得到的相电压脉冲序列如图（b）所示，很难看出它的变化规律来。但是，当把它们合成为线电压时，其脉冲序列就和单极性调制的波形一样了，如图（c）的所示。

双极性调制的工作特点是，同一桥臂的上下两个逆变管总是交替导通的。就是说，每相脉冲序列的正半周作为V1管的驱动信号，则其负半周经反相后作为V2管的驱动信号，如图1－36所示。”

只见小孙从皮包里拿出了一张图，说：“我用示波器观察过不同频率时的电压波形，粗略的画出了半个周期的波形，大致如图1－37那样。图（a）所示，是50 Hz时的波形，电压有效值是380V；图（b）所示，是25 Hz时的波形，电压有效值是190V；图（c）所示，是10 Hz时的波形，电压有效值是76V。不知对不对？”

“很好，很好！”张老师高兴地赞扬说。“不过，要是深入地探究起来，则10 Hz时的脉冲个数可能要多一些，这是技术处理方面的问题了，我们主要着眼于应用，就不必深究了。此外，实际应用中，25 Hz时的电压不一定是190V，10 Hz时的电压也不一定是76V。这个问题，留待后面讨论。还有问题么？”

“有！”小孙仿佛想起了什么似地，拍了拍脑袋说：

“有一次，有一个实验室里配了一台变频器，因为实验室本来是很安静的，所以，电动机的电磁噪音就显得很刺耳。我按照说明书的说明，把载波频率从原来的4kHz调高到10kHz，结果，电磁噪音倒是听不见了，但发现变频器的输出电流增大了，

不知什么原因？” “这实际上是变频器的输出电压减小了的结果。”张老师说。 载波频率的影响“输出电压和载波频率有关么？”小孙感到奇怪。

“有啊！”张老师又找出了一张图1－38。并且指着图说：

“同一桥臂的上下两个逆变管在交替导通过程中，必须保证原来导通的逆变管（如V1）充分截止后，才允许另一个逆变管（V2）导通。而V1从饱和导通到完全截止之间，是需要‘关断时间’的。因此，在两管交替导通时，需要有一个等待时间，通常称为‘死区’，即图（b）中之δt。死区是不工作的，载波频率较高时，一个周期里死区的个数就多了，则不工作的总时间也多了，变频器的输出电压就要下降了，如图（c）所示。” “啊，”小孙盯着图看，不禁惊呼起来：“载波频率为4kHz时，输出电压还是100%，到10kHz时，电压只有90%了，怪不得电流要增大了。 那么，载波频率对变频器的允许输出电流有影响么？”

“答案是肯定的。”只见张老师又拿出了图1－39，然后说：“这有两个方面的原因：

第一个原因，是输电线路之间，以及电动机内部的各相绕组之间，都存在着分布电容C0，如图（a）所示。载波频率越高，分布电容的容抗XC0就越小，通过分布电容的漏电流IC0越大，增加了逆变管的负担，逆变管提供给电动机的允许电流就减小了。

第二个原因，前面讲过，逆变管在开关过程中，是要消耗功率的。不消说，载波频率高了，会增加开关损失，使逆变管的温升升高，逆变管的允许输出电流当然也要减小了，如图（b）所示。”

“今天的内容真丰富，我先记一记笔记，回去还要好好消化呢。”

回到公司后，他想起，有一台机器控制柜的电压表是显示变频器输出电压的。所以第二天上午，他就告诉操作工王师傅说，这块表的读数是要随频率而下降的。