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IGBT中频变频器的现场应用探讨
一．前言
中频变频器在轴承行业使用已十多年，目前，使用IGBT模块、采用80C196MC电机控制专用芯片的SPWM控制方式中频变频器，以其可靠性高、驱动简单、保护容易、通态压降低、开关频率特性好、生产成本低、性能价格比高等诸多优点，在轴承行业，以及其他行业得到了普遍应用。
80C196MC是16位微控制芯片，其内设的三相波形发生器WFG，可以产生独立的三对PWM波形和进行经典的SPWM控制，使中频变频器输出接近正弦波的可控电压。使用SPWM控制方法，配合高开关频率的IGBT模块，能够将载波开关频率提高到17.5KHZ（一般在10"17.5KHZ中选取提高IGBT的开关频率后，一方面可减少SPWM波形中的谐波分量，另一方面，可提高IGBT模块的关断速度。这为逆变器故障时迅速关断IGBT提供了有利条件，使逆变失败的概率大为减少，从而大大提高了IGBT中频变频器的可靠性。其趋势将逐步取代GTR模块的PAM控制方式中频变频器。
二．IGBT中频变频器参数的现场设置
IGBT中频变频器具有多种调整和运行功能，应熟悉中频变频器的这些可供选择的设定、保护和显示功能，充分发挥这些功能，合理使用好中频变频器。并根据电主轴（中频电机）的负载特性进行仔细准确的参数设置和调试。
1．V/F曲线与基本压频系数
V/F曲线的设置是现场调试的关键，中频变频器提供恒转矩特性曲线和二次递增转矩特性曲线，轴承行业电主轴一般选用恒转矩特性曲线（如图1）。

其对应一次性方程的V/F曲线有如下关系：
        变频器输出电压： U=AF B
          V/F曲线斜率： A=（U-B）/F
            基底频率： BF=FN(Ud/UN)
        变频器输出电压： U= Ud(FN/BF)
      其中： U—变频器输出电压；
F—变频器输出频率；
B—某V/F曲线的起动电压；
BF—基本压频系数；
FN—电主轴额定频率；
UN—电主轴额定电压；
Ud——变频器的输入电源电压。
  基底频率（BF）是决定中频变频器逆变波形占空比的一个设置参数。当设定BF值后，变频器CPU将BF值和运行频率进行运算后，调整变频器输出波形的占空比来达到调整输出电压的目的。变频器一般默认以输入电压380V来计算BF值，当变频器的运行频率等于设定的BF值时，变频器输出380V电压。如果运行频率超过BF值，其输出电压仍保持380V，即进入恒功
率区；当运行频率低于BF值时，变频器输出电压按比例同步下降，保持V/F曲线符合恒定转矩特性。
2．V/F曲线的现场设置
V/F曲线的现场设置，应综合考虑电主轴负载情况和变频器运行情况等因素后，给于合理设置。一般对于负荷较轻、功率有富裕的电主轴，可选定一般V/F曲线，按电主轴的额定电压、额定频率来设定BF值，在降低频率使用时，电主轴按恒定转矩特性运行；对于功率富裕量不大、负荷较重的电主轴，在设定V/F曲线时，还需设置合适的“自动转矩补偿”（auto）参数，以提升电主轴电压增加转矩；对于功率富裕量不大、需降低频率使用的电主轴，要选用低端补偿转矩较高的V/F曲线，如选H-8恒转矩曲线。并根据电主轴的运行情况，设置较高“自动转矩补偿”曲线来补偿转矩。同时，还应考虑到降低频率使用时，由于电主轴在低频端的电阻、漏电抗影响不容忽视，若仍保持V/F曲线为常数，则磁通将减少，进而减少电主轴的输出转矩。所以在设置基底频率时视需要还应适当降低BF值，目的是相应提高电主轴的电源电压，以提升电主轴的转矩和带负载能力，避免电主轴在运行中承受冲击负载时发生过流和堵转故障。
设置加减速时间常与设置的V/F曲线有关联，在加速时间和减速时间设定时，要注意其是以最高频率（HF）值为参考点的。设置加减速时间的原则是，在变频器起动时不发生过流跳闸、在变频器减速时不发生过电压跳闸的情况下，选择最短的时间设置值。一般电主轴的加减速时间设定在20"30秒范围内。
3．电子热继电器保护功能的设置
电子热继电器（ET）保护功能参数的合理设定，可以达到保护电主轴和变频器不被过大电流损坏的目的。电子热继电器的门限值定义为电动机和变频器两者额定电流的比值，用百分数表示，一般其调整范围为50%"100%。当变频器的输出电流达到电子热继电器的设定值时，变频器内CPU根据通用电动机的参数和特性进行计算，智能地切断变频器的输出电压，从而起到保护电主轴和变频器的作用。电子热继电器保护功能具有反时限特性，即电动机的运行电流越大，电子热继电器的保护
时间就越短（图2）。电子热继电器的门限最大值一般不会超过变频器的最大容许输出电流，不会超出IGBT模块的安全电流范围。变频器的电子热继电器实质就是具有反限时特性的智能过载限流器。
设置电子热继电器的合适参数意义重大，尤其是电主轴相对于变频器功率较小时，或者电主轴负载较重，有过流和堵转故障发生时，设置合适的电子热继电器参数，可以有效地保护电主轴和变频器。
电子热继电器参数的设置：在变频器容量较大，而电主轴功率相对较小时，为了保护电主轴不受过大电流而损坏，应将ET值设置得较小，例如设置为50%，以达到保护电主轴的目的；

在电主轴和变频器功率匹配的情况下，一般ET值可设置为80%左右；当电主轴负载较重，或者设置运行频率低于其额定频率较多，使电主轴的负载电流较大，存在着运行过流跳闸故障时，在不超出电主轴最大允许电流的前提下，应将电子热继电器的ET值设置为100%。以减少电主轴运行过程中的过流跳闸现象，但是不能取消电子热继电器的保护。如果变频器运行故障还是发生，应更换更大一级功率的变频器。必要时，在变频器输出端可外接热继电器，由于变频器的输出电流中有一定的谐波电流，有引起热继电器误动作的可能，所以在设定热继电器的动作电流时，应将动作电流调大10%左右。
三．中频变频器V/F曲线失调问题  
中频变频器在现场应用中，常会发生V/F曲线失调问题。当中频变频器发生过流、过载故障时，在诸多复杂因素中，往往会忽视V/F曲线的设置问题，而误判是中频变频器或电主轴的故障。
1．起动频率与起动电压失调问题
例如发生刚起动变频器就跳过流的故障，在调整加速时间（ACC1）无明显好转时，往往会误判是电主轴有短路现象。当换了完好的电主轴后，故障仍旧时，应检查V/F曲线设置状况。每条V/F曲线都有不同的起动电压，当起动频率和起动电压严重失调时，在起动过程中就容易
发生过流跳闸现象。其特点是刚起动就跳过流，而且延长加速时间无效。一般变频器使用手册均未给出设置起动频率和起动电压的关系式，我们可以根据V/F曲线的U—F参数来设定起动频率。例如选择H—8曲线时，查手册H—8曲线的B1相应为12%电源电压，因此，起动电压
UB1= B1×380V
  =12%×380
  =45.6V
按恒转矩特性V/F曲线，即起动频率
              F1= （FN UB1/ UN）×80%
式中：B1是H—8曲线的相应电压百分数，乘以80%是减低起动频率，相对于提高起动电压值，以补偿低端起动转矩。
例：某电主轴，额定电压UN为350V；额定频率FN为600HZ；设置起动电压UB1为45.6V。
        则   F1= （FN UB1/ UN）×80%
                =（45.6×600/350）×80%
                =62.5HZ
  在设置起动频率时，应根据电主轴的新旧、旋转灵活性对计算的起动频率作一些修正，可以通过试验确定。
2．V/F曲线失调问题
由于电主轴使用日久后铭牌模糊，看不清楚铭牌数据等原因，会发生错误设置电主轴V/F曲线的现象，使V/F曲线严重失调。V/F曲线的严重失调会从电主轴的空载电流中反映出来。根据额定频率为400HZ；额定电压为293V的某电主轴的试验数据可知：在不改变电主轴额定电压的情况下，降低其频率时空载电流会上升。当频率下降量不超过25%时，空载电流IO的上升量较少；但是，当频率下降幅度超过35%时，空载电流迅速上升。

电流I与磁路磁通Φ、电源电压U、磁路磁阻Rm成正比例关系；与电源频率F成反比例关系。当电主轴空载运行时，绕组电流I等于空载电流IO；在电主轴带负载时，绕组电流I由空载电流IO和负载激励电流I1组成。显然，电主轴的磁路磁通Φ和V/F曲线状态，可以通过它的空载电流和带负载激励电流反映出来。因此，我们可以通过电主轴的空戴电流，以及带负载激励电流的大小来判别V/F曲线的失调情况。某电主轴V/F曲线的失调情况及V/F曲线的修正方法见表1。
  表1
的电主轴，误设置为250V
空载电流仅2.8A，过负荷能力差，工作电流偏大。
升高电压，使空载电流恢复为额定值。
2
在额定电压不变的情况下，频率下降了35%。
空载电流偏大，达8A；带负载电流大，过荷能力差。
升高频率，将空载电流下降到略高于额定空载电流值。
3
在额定电压不变的情况下，频率下降了50%。
空载电流达13.2A,常跳过流、过热、或堵转。
升高频率，使空载电流恢复为额定值。观察带负载能力，然后再细调V／F曲线。
4
误将电压频率同时下降50%。
空载电流稍小，为3.2A;带负载能力弱。常跳过流、或堵转。
提升频率和电压，补偿低端电压，补偿转矩，按1-3项再调整V/F曲线。
灯多只闪亮，机械手动作杂乱无章，甚至将自动修砂轮的金刚钻打碎。一般干扰噪声的传播方式主要有：线路传导方式、电磁感应方式、空中辐射方式等几种。采用解决办法如下：1）在变频器电源三相输入端分别串接铁氧体小电感交流电抗器。2）在变频器输出线上串接磁环，并将输出到电主轴的电缆线套上金属管，然后将金属管一端接地。3）将变频器的输入/输出线及接地线分离配接。4）适当降低载波频率，减少电压上升率。5）将个别抗干扰性能弱的PLC输入端器件，更换为抗干扰性能强的器件。
  例：某SPWM模式中频变频器，在内圆磨床使用时，PLC输出指示灯乱闪，执行程序错乱，机械手动作紊乱，不能正常工作。将变频器输出电缆配上金属软管后，干扰基本消除；将PLC输入端的某电子接近开关传感器换上抗干扰性能强的产品后，干扰彻底消除，PLC工作正常。
四．结束语
IGBT模块中频变频器，采用SPWM控制方式，具有诸多优点。其趋势将逐步取代GTR模块、PAM模式中频变频器。对于IGBT中频变频器的应用，各项参数的准确设置是中频变频器稳定可靠工作的保证。为使中频变频器工作在最佳状态，V/F曲线的合适设置是至关重要的，而电子热继电器参数的正确设置，更是中频变频器和电主轴安全工作的保证。因此，需要对这些参数进行认真探讨和设置。另外，电磁兼容问题也应当引起重视。