變頻器低頻狀態(tài)

1、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，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(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，引起電動機的轉(zhuǎn)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(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速特性和動態(tài)品質(zhì)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(yīng)的措施，以使系統(tǒng)的低頻運行特性能得以改善。

2、2 變頻器低頻機械特性 2.1 低頻啟動特性 異步電動機改變定子頻率F1,即可平滑地調(diào)節(jié)電動機的同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)距公式: Temax=3/2np(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(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

3、帶動負載。 2.2 低頻穩(wěn)態(tài)特性 電動機穩(wěn)態(tài)運行時的轉(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轉(zhuǎn)距。 以電流波

4、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(chǎn)生空間負序的磁勢和磁場，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

5、頻率的脈動轉(zhuǎn)距一齊使電動機的電磁轉(zhuǎn)距發(fā)生脈動，雖然其平均值為零，但脈動轉(zhuǎn)距使電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)距的產(chǎn)生 分別設(shè)1、2為定子磁鏈及轉(zhuǎn)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))1在輸出周期內(nèi)沿著正六邊形的周邊運動。2沿著與六邊形同心的圓周運動，在準方波運行方式下1和2運動是連續(xù)的，但它們且有重大的區(qū)別，當矢量2以恒定定子電壓角速度W1旋轉(zhuǎn)時，矢量1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運行，矢量1線速度恒定導致其角速度的變化，進而引起1和2的夾角變化，除此，當1沿著六角形軌跡移動時其幅值在一定程度上也有變化。當電動

6、機空載時，由于處于穩(wěn)態(tài)1與2的夾角與轉(zhuǎn)距T在W1t=0、/6、/3時為零，而當W1T0、/6、/3時，不為零，它與上面提到的1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，當電動機帶負載時對應(yīng)于一個恒定的均值，低頻轉(zhuǎn)距脈動將疊加于恒定轉(zhuǎn)距均值之上。 4 系統(tǒng)低頻特性改善措施 4.1 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)域電動機的力矩,使之與負荷配合,增大啟動轉(zhuǎn)距?？蛇x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，將導致電流過大引起電動機

7、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處于最佳運行狀態(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。 4.2 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來控制GTR的導通和關(guān)斷，而是始終使異步電動機的磁通接近正弦波，旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡是圓形來決定GTR的導通規(guī)

8、律。在很低的頻率下，保證異步電動機在低速時旋轉(zhuǎn)均勻，從而擴大了變頻調(diào)速范圍，抑制異步電動機的振動和噪聲。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。 4.3 圓周PWM方法降低轉(zhuǎn)距脈動 “圓周”的含義是指定子磁鏈1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(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(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

9、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(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=1/3Vdc 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(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)榱悖瑢⑦@種運行方

10、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形式是一種斬波準方波調(diào)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2以恒定角速度W1轉(zhuǎn)動，1和2間的夾角就出現(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) 在電壓脈沖中間點的時刻,矢量1、2間的夾角在穩(wěn)態(tài)運行時對于所有脈沖應(yīng)保持恒定，消除由變化而產(chǎn)生的對低頻轉(zhuǎn)矩(頻率為6F1)的影響，在空載情況下=0盡管1的幅值變化，低頻轉(zhuǎn)矩脈動仍然將被完全消除。 (2) 在恒定的負載時(-cost0)僅僅1幅值的變化引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動,而負載引起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1矢量軌跡。 圓周PWM是利用空載矢量1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,