變頻器低頻特性分析及改善措施

1 概述

由變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)普遍存在的問題是：

1)系統(tǒng)運(yùn)行在低頻區(qū)域時，其性能不夠理想，主要表現(xiàn)在低頻啟動時啟動轉(zhuǎn)矩小，造成系統(tǒng)啟動困難甚至無法啟動;

2)由于變頻器的非線性產(chǎn)生的高次諧波，引起電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動及電動機(jī)發(fā)熱，并且電動機(jī)運(yùn)行噪聲也加大;

3)低頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，受電網(wǎng)電壓波動或系統(tǒng)負(fù)載的變化及變頻器輸出電壓波形的畸變，將造成電動機(jī)的抖動;

4)當(dāng)變頻器距電動機(jī)距離較遠(yuǎn)時，以及高次諧波對控制電路的干擾，極易引起電動機(jī)的爬行。

由于上述各種現(xiàn)象，嚴(yán)重降低由變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，本文對系統(tǒng)的低頻機(jī)械特性和變頻器的低頻特性進(jìn)行分析，提出采取的相應(yīng)措施，以使系統(tǒng)的低頻運(yùn)行特性得以改善。

2 變頻器低頻機(jī)械特性

2.1 低頻啟動特性

改變異步電動機(jī)定子頻率f1，即可平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，但是隨著f1 的變化，電動機(jī)的機(jī)械特性也將發(fā)生改變，尤其是在低頻區(qū)域，根據(jù)異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩公式

2.2 低頻穩(wěn)態(tài)特性

電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩公式如下。

在角頻率棕1為額定值時，R1可以忽略，而在低頻時，R1已不能忽略，故在低頻區(qū)時由于R1上的壓降所占的比重增加，將無法維持電磁轉(zhuǎn)矩的恒定，特別是在電網(wǎng)電壓變化和負(fù)載變化時，系統(tǒng)將出現(xiàn)抖動和爬行。

3 變頻器調(diào)速系統(tǒng)低頻特性

3.1 諧波分析

由變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，由于變頻器的非線性，電動機(jī)定子中除了基波電流外，還有各次諧波電流，由于高次諧波的存在，使電動機(jī)損耗和感抗增大，減少了cos漬，從而影響輸出轉(zhuǎn)矩，并將產(chǎn)生6倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)矩。

以電流波形中的5 次、7 次諧波來分析，在三相電動機(jī)定子電流中的5 次諧波頻率為f5=5f1(f1為基波電流頻率)，它在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間負(fù)序的磁勢和磁場，這個磁場的轉(zhuǎn)速n51 為基波電流所產(chǎn)生磁場的轉(zhuǎn)速n11 的5 倍，并且沿著與基波磁場相反的方向旋轉(zhuǎn)，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速一定，并假設(shè)接近n11，這樣由5 次諧波磁勢在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)出6倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子電流，此電流與氣隙基波磁勢的合成作用產(chǎn)生6 倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)矩。

7次諧波所產(chǎn)生的磁場與基波同相序，但它所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速7 倍于基波旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，故相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流諧波與氣隙主磁場的相對轉(zhuǎn)速也是6 倍于基波頻率，也產(chǎn)生一個6 倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)矩。

以上兩個6 倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)矩一起使電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動，雖然其平均值為零，但脈動轉(zhuǎn)矩使電動機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，在低頻運(yùn)行時影響最大。

3.2 準(zhǔn)方波方式下脈動轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

分別設(shè)鬃1、鬃2為定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈的空間矢量，在穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)方波(QSW)運(yùn)行方式時(橋中晶閘管用180毅電角脈沖觸發(fā))，鬃1 在輸出周期內(nèi)沿著正六邊形的周邊運(yùn)動，鬃2 沿著與六邊形同心的圓周運(yùn)動。在準(zhǔn)方波運(yùn)行方式下鬃1和鬃2運(yùn)動是連續(xù)的，但它們有重大的區(qū)別，當(dāng)矢量鬃2以恒定定子電壓角速度棕1 旋轉(zhuǎn)時，矢量鬃1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運(yùn)行，矢量鬃1 線速度恒定導(dǎo)致其角速度的變化，進(jìn)而引起鬃1和鬃2的夾角啄變化，除此，當(dāng)鬃1 沿著六角形軌跡移動時其幅值在一定程度上也有變化。當(dāng)電動機(jī)空載時，由于處于穩(wěn)態(tài)鬃1與鬃2的夾角啄與轉(zhuǎn)矩T在棕1t=0、仔/6、仔/3時為零，而當(dāng)棕1t屹0、仔/6、仔/3 時，啄不為零，它與上面提到的鬃1幅值變化一起引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動，其頻率為定子電壓基波的6倍，當(dāng)電動機(jī)帶負(fù)載時對應(yīng)于一個恒定的啄均值，低頻轉(zhuǎn)矩脈動將疊加于恒定轉(zhuǎn)矩均值之上。

4 系統(tǒng)低頻特性改善措施

4.1 啟動轉(zhuǎn)矩的提升

由于系統(tǒng)在低頻時受R1上的壓降影響，使系統(tǒng)的啟動轉(zhuǎn)矩隨棕1 下降而減小，為此變頻器設(shè)有轉(zhuǎn)矩提升功能，該功能可以調(diào)整低頻區(qū)域電動機(jī)的力矩，使之與負(fù)荷配合，增大啟動轉(zhuǎn)矩?？蛇x擇自動轉(zhuǎn)矩提升或手動轉(zhuǎn)矩提升模式，其原理是提升定子電壓也就相應(yīng)提高了啟動轉(zhuǎn)矩，但提升電壓設(shè)置過高，將導(dǎo)致電流過大引起電動機(jī)飽和、過熱或過電流跳閘。如1336PLUS系列變頻器的轉(zhuǎn)矩提升功能，可自動調(diào)整提升電壓，以產(chǎn)生所需的電壓，可根據(jù)預(yù)定轉(zhuǎn)矩所需的電流來選擇提升電壓，轉(zhuǎn)矩提升在控制電流的同時使電動機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，在選擇手動轉(zhuǎn)矩提升時，要結(jié)合實(shí)際情況來設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升值。

4.2 改善低頻轉(zhuǎn)矩脈動

變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動直接影響系統(tǒng)動態(tài)特性，不論是變頻器的生產(chǎn)廠家，還是系統(tǒng)集成的工程技術(shù)人員，都在致力于改善低頻區(qū)脈動這一技術(shù)問題。如采用磁通控制方式，它不是按照調(diào)制正弦波和載波的交點(diǎn)來控制開關(guān)器件GTR 的導(dǎo)通和關(guān)斷，而是始終使異步電動機(jī)的磁通接近正弦波，旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡是圓形，以此來決定GTR的導(dǎo)通規(guī)律。在很低的頻率下，保證異步電動機(jī)在低速時旋轉(zhuǎn)均勻，從而擴(kuò)大了變頻調(diào)速范圍，抑制異步電動機(jī)的振動和噪聲。其圓形旋轉(zhuǎn)磁場的實(shí)現(xiàn)，是通過檢測磁通使控制環(huán)節(jié)隨時判斷實(shí)際磁通是否超過誤差范圍，來改變GTR的工作模式，從而保證旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡呈圓形，以減少轉(zhuǎn)矩脈動。

4.3 圓周PWM方法降低轉(zhuǎn)矩脈動

“圓周”的含義是指定子磁鏈空間矢量鬃1 在高斯平面中沿著一個非常接近于圓周的多邊形運(yùn)動，其以降低電動機(jī)脈動轉(zhuǎn)矩為目的來確定電壓脈沖的寬度和位置。三相逆變器為全波橋式結(jié)構(gòu)，如其運(yùn)行在這樣一種方式下，當(dāng)交流輸出端(a、b、c)之一在任何時刻接通直流母線(+、-)之一時，剩下的兩個交流輸出端，應(yīng)同時接到另一個直流母線上，這一原理從圖1(a)中可以明顯表示清楚。顯然交流輸出端接到直流母線方式有6 種，這就導(dǎo)致定子電壓U1的空間矢量有6 個位置，這6 個位置如圖1(b)所示，圖1(b)中6 種開/關(guān)狀態(tài)對應(yīng)著U1的六種位置，圖中粗線位置表示開關(guān)1、3、6處于開的位置，投影所產(chǎn)生的瞬時相電壓為

PWM 形式是一種斬波準(zhǔn)方波調(diào)制，負(fù)載上的相電壓由矩形段和零電壓段(U1=0 時)組成，在每個電壓脈沖時刻，矢量鬃1 以恒定線速度移動，而在零電壓段保持靜止，然而由于矢量鬃2 以恒定角速度棕1轉(zhuǎn)動，鬃1 和鬃2間的夾角啄就出現(xiàn)了，因此電壓斬波是引起高頻轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因，其頻率與輸出電壓脈沖頻率相同。這是PWM 自身所固有的，實(shí)際上高頻轉(zhuǎn)矩脈動是很難消除的，它總是疊加于低頻轉(zhuǎn)矩脈動之上。為消除系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動可從以下兩種方式開展工作。

在電壓脈沖中間點(diǎn)的時刻，矢量鬃1、鬃2間的夾角啄在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時對于所有脈沖應(yīng)保持恒定，消除由啄變化而產(chǎn)生的對低頻轉(zhuǎn)矩(頻率為6f1)的影響，在空載情況下啄=0，盡管鬃1 的幅值變化，低頻轉(zhuǎn)矩脈動仍然將被完全消除。

在恒定負(fù)載時，僅僅鬃1幅值的變化就會引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動，而負(fù)載引起鬃2幅值的變化可以忽略，因此必須獲得一個比較接近于圓周的鬃1矢量軌跡。

圓周PWM 是利用空載矢量鬃1的空間位置來確定電壓脈沖的中間點(diǎn)，即晶閘管導(dǎo)通段及零電壓段的合理組合，可以產(chǎn)生幅值變化可忽略不計(jì)的鬃1，此原理如圖1所示，鬃1停止時刻(即零電壓段)用黑線標(biāo)出，確定電壓脈沖位置使它們對稱，如圖中A、B、C 各橫坐標(biāo)(即B、C 旋轉(zhuǎn)后)的中間點(diǎn)，脈沖寬度(即持續(xù)時間)與坐標(biāo)長度相對應(yīng)，所要求的輸出電壓波形周期由矢量鬃1沿多邊形轉(zhuǎn)一周所需的時間確定。采用此方法在保持輸出電壓由零到最大值可變的同時，可有效地消除低頻轉(zhuǎn)矩脈動。