淺析變頻器的低頻特性及改善方法

　一、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，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。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)距脈動及電動機(jī)發(fā)熱，并且電動機(jī)運(yùn)行噪聲也加大。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奇變，將造成電動機(jī)的抖動。當(dāng)變頻器距電動機(jī)距離較大時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，提出采取相應(yīng)的措施，以使系統(tǒng)的低頻運(yùn)行特性能得以改善。

　　二、變頻器低頻機(jī)械特性

　　1、低頻啟動特性

　　異步電動機(jī)改變定子頻率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)距公式：

　　Temax=3/2{np（U1/W1）2}/{R1/W1+/（R2/W1）2+（LL1+LL2）2}式中np—電動機(jī)極對數(shù);

　　R1—定子每相電阻;

　　R2—折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻;

　　LL1—定子每相漏感;

　　LL2—折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每漏感;

　　U1—電動機(jī)定子每相電壓;

　　W1—電源角頻率

　　可見Temax是隨著W1的降低而減小，在低頻時，R1已不可忽略。Temax將隨著W1的減小而減小，啟動轉(zhuǎn)距也將減小，甚至不能帶動負(fù)載。

　　2、低頻穩(wěn)態(tài)特性

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

　　TL=3np（U1/W1）2SW1R2/{（SR1+R2）2+S2W2（LL1+LL2）2}

　　在角頻率W1為額定時，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M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。

　　三、變頻器調(diào)速系統(tǒng)低頻特性

　　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cosφ，從而影響輸出轉(zhuǎn)距，并將產(chǎn)生6倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)距。

　　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)距。

　　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；諧波；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)距。

　　以上兩個6倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)距一齊使電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距發(fā)生脈動，雖然其平均值為零，但脈動轉(zhuǎn)距使電動機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，在低頻運(yùn)行時影響最大。

　　2、準(zhǔn)方波方式下脈動轉(zhuǎn)距的產(chǎn)生

　　分別設(shè)ψ1、ψ2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1800電角脈沖觸發(fā)）ψ1在輸出周期內(nèi)沿著正六邊形的周邊運(yùn)動。ψ2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ψ1和ψ2運(yùn)動是連續(xù)的，但它們且有重大的區(qū)別，當(dāng)矢量ψ2以恒定定子電壓角速度W1旋轉(zhuǎn)時，矢量ψ1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運(yùn)行，矢量ψ1線速度恒定導(dǎo)致其角速度的變化，進(jìn)而引起ψ1和ψ2的夾角δ變化，除此，當(dāng)ψ1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)ψ1與ψ2的夾角與轉(zhuǎn)距T在W1t=0、π/6、π/3時為零，而當(dāng)W1T≠0、π/6、π/3時，δ不為零，它與上面提到的ψ1幅值變化一起引起低頻轉(zhuǎn)距脈動，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δ均值，低頻轉(zhuǎn)距脈動將疊加于恒定轉(zhuǎn)距均值之上。

　　四、系統(tǒng)低頻特性改善措施

　　1、啟動轉(zhuǎn)距的提升

　　由于系統(tǒng)在低頻時R1上的壓降影響，使系統(tǒng)的啟動轉(zhuǎn)距隨W1下降而減小，為此變頻器設(shè)有轉(zhuǎn)距提升功能，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)距。可選擇自動轉(zhuǎn)距提升和手動轉(zhuǎn)距提升模式，其原理是提升定子電壓也就相應(yīng)提高了啟動轉(zhuǎn)距，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)距提升功能，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)距所需的電流來選擇提升電壓，轉(zhuǎn)距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)距提升時，要結(jié)合實際情況來設(shè)定轉(zhuǎn)距提升值。

　　2、改善低頻轉(zhuǎn)距脈動

　　變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)距脈動直接影響系統(tǒng)動態(tài)特性，不論是變頻器的生產(chǎn)廠和系統(tǒng)集成的工程技術(shù)人員，都在盡力于改善低頻區(qū)脈動這一技術(shù)問題。如采用磁通控制方式、正弦波PWM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)磁場的實現(xiàn)，是通過檢測磁通使控制環(huán)節(jié)隨時判斷實際磁通超過誤差范圍與否，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)距脈動。

　　3、圓周PWM方法降低轉(zhuǎn)距脈動

　　“圓周”的含義是指定子磁鏈ψ1空間矢量在高斯平面中沿著一個非常接近于圓周的多邊形，其以降低電動機(jī)脈動轉(zhuǎn)距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）之一在任何時候接通直流母線（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六種，這就導(dǎo)致定子電壓U1的空間矢量有六個位置，這六個位置如圖1（b）所示，圖1（b）中六種開/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)生的瞬時相電壓如下：

　　Va=Vb=1/3VdcVc=-2/3Vdc

　　其余類推，符號Va、Vb、Vc代表三相輸出電壓的瞬時相電壓值，假如Ia+Ib+Ic=0由空間矢量在A、B、C軸上的垂直投影就可得到Va、Vb、Vc，除以上六種開/關(guān)狀態(tài)外，還有使開關(guān)1、3、5或2、4、6同時關(guān)斷兩種狀態(tài)，在這種情況下，交流輸出端a、b、c接到同一電位上，U1及Ua、Ub、Uc順次變?yōu)榱?，將這種運(yùn)行方式應(yīng)用到一個三電平PWM逆變器上可獲得與兩電平PWM相比而言較低的諧波成分。

　　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ψ1以恒定線速度移動，而在零電壓段保持靜止，然而由于矢量ψ2以恒定角速度W1轉(zhuǎn)動，ψ1和ψ2間的夾角δ就出現(xiàn)了，因此電壓斬波是引起高頻轉(zhuǎn)距脈動的主要原因，頻率與輸出電壓矩脈沖頻率相同。這是由于PWM自身固有的，實際上高頻轉(zhuǎn)矩脈動是很難消除的，并疊加于低頻轉(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。

　　1.1在電壓脈沖中間點(diǎn)的時刻，矢量ψ1、ψ2間的夾角δ在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時對于所有脈沖應(yīng)保持恒定，消除由δ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δ=0盡管ψ1的幅值變化，低頻轉(zhuǎn)矩脈動仍然將被完全消除。

　　1.2在恒定的負(fù)載時（δ-cost≠0）僅僅ψ1幅值的變化引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動，而負(fù)載引起ψ2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ψ1矢量軌跡。圓周PWM是利用空載矢量ψ1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)生幅值變化可以忽略不計的ψ1，此原理如圖1所示，ψ1停止時刻（即零電壓段）用圓點(diǎn)標(biāo)出，確定電壓脈沖位置使它們對稱，如圖中各橫坐標(biāo)的中間點(diǎn)，脈沖寬度（即持續(xù)時間）與橫坐標(biāo)長度相對應(yīng)，所要求的輸出電壓來確定。自然電壓波形周期由ψ1矢量沿多邊形轉(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，可有效的消除低頻轉(zhuǎn)矩脈動。