淺談變頻器低頻特性及改善措施

潘威屹 萬青 高偉

摘要：本文分析了變頻器調速系統(tǒng)在低頻區(qū)域的特性，敘述了該系統(tǒng)在低頻區(qū)存在的一些問題，并提出相應的改善措施。

關鍵詞：低頻特性;系統(tǒng)分析;改善措施

1 概述

由變頻器構成的交流調速系統(tǒng)普遍存在的問題是，系統(tǒng)運行在低頻區(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生的高次諧波，引起電動機的轉距脈動及電動機發(fā)熱，并且電動機運行噪聲也加大。低頻穩(wěn)態(tài)運行時，受電網(wǎng)電壓波動或系統(tǒng)負載的變化及變頻器輸出電壓波形的奇變，將造成電動機的抖動。當變頻器距電動機距離較大時及高次諧波對控制電路的干擾，極易引起電動機的爬行。由于上述各種現(xiàn)象，嚴重降低由變頻器構成的調速系統(tǒng)的調速特性和動態(tài)品質指標，本文對系統(tǒng)的低頻機械特性和變頻器的低頻特性進行分析，提出采取相應的措施，以使系統(tǒng)的低頻運行特性能得以改善。

2 變頻器低頻機械特性

2.1 低頻啟動特性

步電動機改變定子頻率F1，即可平滑地調節(jié)電動機的同步轉速，但是隨著F1的變化，電動機的機械特性也將發(fā)生改變，尤其是在低頻區(qū)域，根據(jù)異步電動機的最大轉距公式：

Temax=3/2{np（U1/W1）2}/{R1/W1+/（R2/W1）2+（LL1+LL2）2} 式中np—電動機極對數(shù); R1—定子每相電阻; R2—折合到定子側的轉子每相電阻; LL1—定子每相漏感; LL2—折合到定子側的轉子每漏感; U1—電動機定子每相電壓; 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。

2.2 低頻穩(wěn)態(tài)特性

電動機穩(wěn)態(tài)運行時的轉距公式如下：

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)電壓變化和負載變化時，系統(tǒng)將出現(xiàn)抖動和爬行。

3 變頻器調速系統(tǒng)低頻特性

3.1 諧波分析

由變頻器構成的調速系統(tǒng)，由于變頻器的非線性，電動機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，使電動機損耗和感抗增大，減少了cosφ，從而影響輸出轉距，并將產生6倍于基波頻率的脈動轉距。

以電流波形中的5次、7次諧波來分析，在三相電動機定子電流中的5次諧波頻率為 F5=5F1 （F1為基波電流頻率），它在電動機氣隙中產生空間負序的磁勢和磁場，這個磁場的轉速 n51為基波電流所產生磁場的轉速n11的5倍，并且沿著與基波磁場反的方向旋轉，由于電動機轉速一定，并假設接近n11，這樣由5次諧波磁勢在轉子內感應出6倍于基波頻率的轉子電流，此電流與氣隙基波磁勢的合成作用產生6倍于基波頻率的脈動轉距。 7次諧波所產生的磁場與基波同相序，但它所產生的旋轉磁場轉速7倍于基波旋轉磁場的轉速，故相應轉子電流諧波與氣隙主磁場的相對轉速也是6倍于基波頻率，也產生一個6倍于基波頻率的脈動轉距。

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

3.2 準方波方式下脈動轉距的產生

分別設ψ1、ψ2為定子磁鏈及轉子磁鏈的空間矢量，在穩(wěn)態(tài)準方波（QSW）運行方式時（橋中晶閘管用1800電角脈沖觸發(fā)）ψ1在輸出周期內沿著正六邊形的周邊運動。ψ2沿著與六邊形同心的圓周運動，在準方波運行方式下ψ1和ψ2運動是連續(xù)的，但它們且有重大的區(qū)別，當矢量ψ2以恒定定子電壓角速度W1旋轉時，矢量ψ1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運行，矢量ψ1線速度恒定導致其角速度的變化，進而引起ψ1和ψ2的夾角δ變化，除此，當ψ1沿著六角形軌跡移動時其幅值在一定程度上也有變化。當電動機空載時，由于處于穩(wěn)態(tài)ψ1與ψ2的夾角與轉距T在W1t=0、π/6、π/3時為零，而當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距脈動，其頻率為定子電壓基波的6倍，當電動機帶負載時對應于一個恒定的δ均值，低頻轉距脈動將疊加于恒定轉距均值之上。

4 系統(tǒng)低頻特性改善措施

4.1 啟動轉距的提升

由于系統(tǒng)在低頻時R1上的壓降影響，使系統(tǒng)的啟動轉距隨W1下降而減小，為此變頻器設有轉距提升功能，該功能可以調整低頻區(qū)域電動機的力矩，使之與負荷配合，增大啟動轉距。可選擇自動轉距提升和手動轉距提升模式，其原理是提升定子電壓也就相應提高了啟動轉距，但提升電壓設置過高，將導致電流過大引起電動機飽和、過熱或過電流跳閘。如1336PLUS系列變頻器的轉距提升功能，可自動調整提升電壓，以產生所需的電壓，可根據(jù)預定轉距所需的電流來選擇提升電壓，轉距提升在控制電流的同時使電動機處于最佳運行狀態(tài)，在選擇手動轉距提升時，要結合實際情況來設定轉距提升值。

4.2 改善低頻轉距脈動

變頻器構成的交流調速系統(tǒng)的低頻轉距脈動直接影響系統(tǒng)動態(tài)特性，不論是變頻器的生產廠和系統(tǒng)集成的工程技術人員，都在盡力于改善低頻區(qū)脈動這一技術問題.如采用磁通控制方式、正弦波PWM控制方式，它不是按照調制正弦波和載波的交點來控制GTR的導通和關斷，而是始終使異步電動機的磁通接近正弦波，旋轉磁場的軌跡是圓形來決定GTR的導通規(guī)律。在很低的頻率下，保證異步電動機在低速時旋轉均勻，從而擴大了變頻調速范圍，抑制異步電動機的振動和噪聲。

4.3 圓周PWM方法降低轉距脈動

“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，其以降低電動機脈動轉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構，如其運行在這樣一種方式下，當交流輸出端（a、b、c）之一在任何時候接通直流母線（應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/關狀態(tài)對應著U1的六種位置，圖中粗線位置表示開關1、3、6處于開的位置，投影所產生的瞬時相電壓如下：

Va=Vb=1/3Vdc Vc=-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/關狀態(tài)外，還有使開關1、3、5或2、4、6同時關斷兩種狀態(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)榱悖瑢⑦@種運行方式應用到一個三電平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形式是一種斬波準方波調制，負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距脈動的主要原因，頻率與輸出電壓矩脈沖頻率相同。

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，即晶閘管導通段及零電壓段的合理組合，可以產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）用圓點標出，確定電壓脈沖位置使它們對稱，如圖中各橫坐標的中間點，脈沖寬度（即持續(xù)時間）與橫坐標長度相對應，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矩脈動。