1、变频器低频特性分析与改善措施摘要: 文中分析变频器调速系统在低频区域的特性，叙述了该系统在低频区存在的一些问题，并提出相应的改善措施。 关键词:低频特性系统分析改善措施 Abstract: Inthispaperanalysevariablespeedsysteminlowfrequecyregionalcharacteristics,someproblemsinsystemlowfrequencyreionalisdescribed,correspondingimprovingmeasureswereoffered. Keywords:lowfrequencycharacteristicss
2、ystemanalyscimprovemeasures 中图分类号：TN773 文献标识码：A 1、概述 由变频器构成的交流调速系统在工程应用和自来水厂普遍存在的问题是，系统运行在低频区域时,其性能不够理想,主要表现在低频启动时启动转矩小,造成系统启动困难甚至无法启动。由于变频器的非线性产生的高次谐波，引起电动机的转距脉动及电动机发热，并且电动机运行噪声也加大。低频稳态运行时，受电网电压波动或系统负载的变化及变频器输出电压波形的奇变，将造成电动机的抖动。当变频器距电动机距离较远时及高次谐波对控制电路的干扰，极易引起电动机的爬行。由于上述各种现象，严重降低由变频器构成的调速系统的调速特性和动态品
3、质指标，本文对系统的低频机械特性和变频器的低频特性进行分析，提出采取相应的措施，以使系统的低频运行特性能得以改善。 2、变频器低频机械特性 2.1低频启动特性 异步电动机改变定子频率 F1,即可平滑地调节电动机的同步转速,但是随着 F1 的变化,电动机的机械特性也将发生改变,尤其是在低频区域,根据异步电动机的最大转距公式: Temax=3/2np(U1/W1)2/R1/W1+/(R2/W1)2+(LL1+LL2)2 式中 np电动机极对数; R1定子每相电阻; R2折合到定子侧的转子每相电阻; LL1定子每相漏感; LL2折合到定子侧的转子每漏感; U1电动机定子每相电压; W1电源角频率 可
4、见 Temax 是随着 W1 的降低而减小，在低频时，R1 已不可忽略。Temax 将随着 W1 的减小而减小，启动转距也将减小，甚至不能带动负载。2.2低频稳态特性 电动机稳态运行时的转距公式如下: TL=3np(U1/W1)2SW1R2/(SR1+R2)2+S2W2(LL1+LL2)2 在角频率 W1 为额定时,R1 可以忽略。而在低频时,R1 已不能忽略,故在低频区时由于 R1 上的压降所占的比重增加,将无法维持 M 的恒定,特别是在电网电压变化和负载变化时,系统将出现抖动和爬行。 3、变频器调速系统低频特性 3.1谐波分析 由变频器构成的调速系统,由于变频器的非线性,电动机定子中除了基
5、波电流外,还有各次谐波电流,由于高次谐波的存在,使电动机损耗和感抗增大,减少了 cos,从而影响输出转距,并将产生 6 倍于基波频率的脉动转距。 以电流波形中的 5 次、7 次谐波来分析，在三相电动机定子电流中的5 次谐波频率为F5=5F1(F1 为基波电流频率)，它在电动机气隙中产生空间负序的磁势和磁场，这个磁场的转速n51 为基波电流所产生磁场的转速 n11 的 5 倍，并且沿着与基波磁场反的方向旋转，由于电动机转速一定，并假设接近 n11，这样由 5 次谐波磁势在转子内感应出 6 倍于基波频率的转子电流，此电流与气隙基波磁势的合成作用产生 6 倍于基波频率的脉动转距。 7 次谐波所产生的
6、磁场与基波同相序，但它所产生的旋转磁场转速 7倍于基波旋转磁场的转速，故相应转子电流谐波与气隙主磁场的相对转速也是 6 倍于基波频率，也产生一个 6 倍于基波频率的脉动转距。 以上两个 6 倍于基波频率的脉动转距一齐使电动机的电磁转距发生脉动，虽然其平均值为零，但脉动转距使电动机转速不均匀，在低频运行时影响最大。 3.2准方波方式下脉动转距的产生 分别设 1、2 为定子磁链及转子磁链的空间矢量，在稳态准方波(QSW)运行方式时(桥中晶闸管用 1800 电角脉冲触发)1 在输出周期内沿着正六边形的周边运动。2 沿着与六边形同心的圆周运动，在准方波运行方式下 1 和 2 运动是连续的，但它们且有重
7、大的区别，当矢量 2以恒定定子电压角速度 W1 旋转时，矢量 1 以恒定的线速度沿正六边形周边运行，矢量 1 线速度恒定导致其角速度的变化，进而引起 1 和2 的夹角 变化，除此，当 1 沿着六角形轨迹移动时其幅值在一定程度上也有变化。当电动机空载时，由于处于稳态 1 与 2 的夹角与转距 T 在 W1t=0、/6、/3 时为零，而当 W1T0、/6、/3 时，不为零，它与上面提到的 1 幅值变化一起引起低频转距脉动，其频率为定子电压基波的 6 倍，当电动机带负载时对应于一个恒定的 均值，低频转距脉动将叠加于恒定转距均值之上。 4、系统低频特性改善措施 4.1启动转距的提升 由于系统在低频时
8、R1 上的压降影响,使系统的启动转距随 W1 下降而减小,为此变频器设有转距提升功能,该功能可以调整低频区域电动机的力矩,使之与负荷配合,增大启动转距。可选择自动转距提升和手动转距提升模式，其原理是提升定子电压也就相应提高了启动转距，但提升电压设置过高，将导致电流过大引起电动机饱和、过热或过电流跳闸。如1336PLUS 系列变频器的转距提升功能，可自动调整提升电压，以产生所需的电压，可根据预定转距所需的电流来选择提升电压，转距提升在控制电流的同时使电动机处于最佳运行状态，在选择手动转距提升时，要结合实际情况来设定转距提升值。 4.2改善低频转距脉动 变频器构成的交流调速系统的低频转距脉动直接影
9、响系统动态特性,不论是变频器的生产厂和系统集成的工程技术人员,都在尽力于改善低频区脉动这一技术问题.如采用磁通控制方式、正弦波 PWM 控制方式，它不是按照调制正弦波和载波的交点来控制 GTR 的导通和关断，而是始终使异步电动机的磁通接近正弦波，旋转磁场的轨迹是圆形来决定 GTR 的导通规律。在很低的频率下，保证异步电动机在低速时旋转均匀，从而扩大了变频调速范围，抑制异步电动机的振动和噪声。其圆形旋转磁场的实现，是通过检测磁通使控制环节随时判断实际磁通超过误差范围与否，来改变 GTR 的工作模式，从而保证旋转磁场的轨迹呈圆形，以减少转距脉动。 4.3圆周 PWM 方法降低转距脉动 “圆周”的含义是指定子磁链 1 空间矢量在高斯平面中沿着一个非常接近于圆周的多边形，其以降低电动机脉动转距为目的来确定电压脉冲的宽度和位置。三相逆变器为全波桥式结构，如其运行在这样一种方式下，当交流输出端(a、b、c)之一在任何时候接通直流母线(应同时接到另一个直流母线上),这一原理从图 1(a)中可以明显表示清楚。显然交流输出端接到直流母线方式有六种，这就导致定子电压 U1 的空间矢量有六个位置，这六个位置如图 1(b)所示，图 1(b)中六种开/关状态对应着 U1 的六种位置，图中粗线位置表示开关 1、3、6 处于开的位置，投影所产生的瞬时相电压如下：
