變頻器低頻特性分析及改善措施

1、變頻器低頻特性分析及改善措施摘要:文中分析變頻器調(diào)速系統(tǒng)在低頻區(qū)域的特性，表達(dá)了該系統(tǒng)在低 頻區(qū)存在的一些問題，并提出相應(yīng)的改善措施。關(guān)鍵詞 :低頻特性系統(tǒng)分析改善措施 Abstract:Inthispaperanalysevariablespeedsysteminlowfrequecyregional characteristics,someproblemsinsystemlowfrequencyreionalisdescribed,cor respondingimprovingmeasureswereoffered.Keywords:lowfrequencycharacteristicss

2、ystemanalyscimprovemeasures1 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(shí) ,其性能不夠理想 ,主要表現(xiàn)在低頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小 ,造成系統(tǒng)啟 動(dòng)困難甚至無法啟動(dòng)。由于變頻器的非線性產(chǎn)生的高次諧波，引起電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距脈動(dòng)及電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，并且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲也加大。低頻穩(wěn) 態(tài)運(yùn)行時(shí)，受電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(dòng)機(jī)的抖動(dòng)。當(dāng)變頻器距電動(dòng)機(jī)距離較大時(shí)及高次 諧波對(duì)控制電路的干擾， 極易引起電動(dòng)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(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，本文 對(duì)系統(tǒng)的低頻機(jī)械特性和變

3、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。2 變頻器低頻機(jī)械特性2.1 低頻啟動(dòng)特性異步電動(dòng)機(jī)改變定子頻率 F1即可平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，但是 隨著 F1 的變化 ,電動(dòng)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(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)距公式：Temax=3/2np(U1/W1)2/R1/W1+/(R2/W1)2+(LL1+LL2)2式中 np電動(dòng)機(jī)極對(duì)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(dòng)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(shí)，R1已不可

4、忽略。Temax將隨著 W1 的減小而減小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距也將減小，甚至不能帶動(dòng)負(fù)載。2.2 低頻穩(wěn)態(tài)特性電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)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(shí) ,R1 可以忽略。而在低頻時(shí) ,R1 已不能忽略 ,故在 低頻區(qū)時(shí)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(shí) ,系統(tǒng)將出現(xiàn)抖動(dòng)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(dòng)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 ,

5、使電動(dòng)機(jī)損耗和感 抗增大,減少了 cos©從而影響輸出轉(zhuǎn)距，并將產(chǎn)生6倍于基波頻率的脈 動(dòng)轉(zhuǎn)距。以電流波形中的 5次、7 次諧波來分析，在三相電動(dòng)機(jī)定子電流中的 5次諧波頻率為F5=5F1F1為基波電流頻率，它在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生空 間負(fù)序的磁勢(shì)和磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 n51 為基波電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的 轉(zhuǎn)速 n11 的 5 倍，并且沿著與基波磁場(chǎng)反的方向旋轉(zhuǎn)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速一定，并假設(shè)接近nil,這樣由5次諧波磁勢(shì)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(shì)的合成作用產(chǎn)生 6 倍于 基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距。7 次諧波所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與基波同相序，但它所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速 7

6、倍于基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，故相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流諧波與氣隙主磁場(chǎng)的相對(duì) 轉(zhuǎn)速也是 6 倍于基波頻率，也產(chǎn)生一個(gè) 6 倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距。以上兩個(gè) 6 倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距一齊使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距發(fā)生脈 動(dòng)，雖然其平均值為零，但脈動(dòng)轉(zhuǎn)距使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，在低頻運(yùn) 行時(shí)影響最大。3.2 準(zhǔn)方波方式下脈動(dòng)轉(zhuǎn)距的產(chǎn)生分別設(shè)1、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(shí)橋中晶閘管用1800電角脈沖觸發(fā)®在輸出周期內(nèi)沿著正六邊形的周邊運(yùn)動(dòng)。沿著與六邊形同心的圓周運(yùn)動(dòng)，在準(zhǔn)方波運(yùn)行 方式下和運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，但它們且有重大的區(qū)別，當(dāng)矢量 2 以恒定定子電壓角速度 W1旋轉(zhuǎn)時(shí)，矢量以恒定

7、的線速度沿正六邊 形周邊運(yùn)行，矢量線速度恒定導(dǎo)致其角速度的變化，進(jìn)而引起®1和的夾角3變化，除此，當(dāng)沿著六角形軌跡移動(dòng)時(shí)其幅值在一 定程度上也有變化。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，由于處于穩(wěn)態(tài)與的夾角與轉(zhuǎn)距T在 W1t=0、n /6 n /3時(shí)為零，而當(dāng) W1#0、n /6 n /3時(shí)，5 不為零，它與上面提到的幅值變化一起引起低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)，其頻率 為定子電壓基波的 6倍，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)于一個(gè)恒定的 5均值， 低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)將疊加于恒定轉(zhuǎn)距均值之上。變頻器低頻特性分析及改善措施 :4 系統(tǒng)低頻特性改善措施4.1 啟動(dòng)轉(zhuǎn)距的提升由于系統(tǒng)在低頻時(shí)R1上的壓降影響，使系統(tǒng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)距隨 W1下降而減

8、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(dòng)機(jī)的 力矩,使之與負(fù)荷配合 ,增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)距。 可選擇自動(dòng)轉(zhuǎn)距提升和手動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)使電動(dòng)機(jī)處于最正確運(yùn)行狀態(tài)，在選擇手動(dòng)轉(zhuǎn)距提 升時(shí)，要結(jié)合實(shí)際情況來設(shè)定轉(zhuǎn)距提升值。4.2 改善低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng) 變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)直接影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,不論是變頻器的

9、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(dòng)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(dòng)機(jī)的磁通接近正弦波，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)在低速時(shí)旋轉(zhuǎn)均 勻，從而擴(kuò)大了變頻調(diào)速范圍，抑制異步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。其圓 形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)，是通過檢測(cè)磁通使控制環(huán)節(jié)隨時(shí)判斷實(shí)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(chǎng)的軌跡 呈圓形，以減少轉(zhuǎn)距脈動(dòng)。4.3圓周PWM方法降低轉(zhuǎn)距脈動(dòng)圓周的含義是指定子磁鏈空間矢量在高斯

10、平面中沿著一個(gè)非常接 近于圓周的多邊形，其以降低電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)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(shí)候接通直流母線(應(yīng)同時(shí)接 到另一個(gè)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(gè)位置，這六個(gè)位置如圖1(b)所示，圖1(b )中六種開/關(guān)狀態(tài)對(duì)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(shí)相電壓如下：Va=Vb=1/3VdcVc=-2/3Vdc其余類推，符號(hào) Va、Vb

11、、Vc 代表三相輸出電壓的瞬時(shí)相電壓值，假設(shè)la+lb+lc=O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(shí)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(gè)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U仁0時(shí)組成，在每個(gè)電壓脈沖時(shí)刻，矢量以恒定線速度移動(dòng)，而在零電壓段保持靜止，然而由于矢量以恒定角速度 W1轉(zhuǎn)動(dòng)，®1 和間

12、的夾角3就出現(xiàn)了，因此電壓斬波是引起高頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)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(shí)際上高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是很難消除的,并疊加于低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)之上。為 消除系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可從以下兩種方式開展工作。1在電壓脈沖中間點(diǎn)的時(shí)刻，矢量1、間的夾角3在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì) 于所有脈沖應(yīng)保持恒定, 消除由 3變化而產(chǎn)生的對(duì)低頻轉(zhuǎn)矩 頻率為 6F1 的影響，在空載情況下3 =盡管的幅值變化，低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然將 被完全消除。2在恒定的負(fù)載時(shí)-cost工僅僅幅值的變化引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而 負(fù)載引起幅值的變化可以忽略，因此必須獲得一個(gè)比擬接近于圓周的矢量軌跡。圓周PWM是利用空載矢量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