载波频率.doc

1、在 信 号 传 输 的 过 程 中 ， 并 不 是 将 信 号 直 接 进 行 传 输 ， 而 是 将 信 号 与 一 个 固 定 频 率 的 波 进行 相 互 作 用 。 这 个 过 程 称 为 加 载 ， 这 样 的 一 个 固 定 频 率 的 波 称 为 载 波 频 率 。 严 格 的 讲 ， 就 是 把 一 个 较 低 的 信 号 频 率 调 制 到 一 个 相 对 较 高 的 频 率 上 去 ， 这 被 低频 调 制 的 较 高 频 率 就 叫 载 波 频 率 ， 也 叫 基 频 。变 频 器 的 载 波 频 率 就 是 决 定 逆 变 器 的 功 率 开 关 器 件 （ 如 ： I

2、GBT） 的 开 通 与 关 断 的 次 数的 频 率 它 主 要 影 响 以 下 几 方 面 ： 1、 功 率 模 块 IGBT 的 功 率 损 耗 与 载 波 频 率 有 关 ， 载 波 频 率 提 高 ， 功 率 损 耗 增 大 ，功 率 模 块 发 热 增 加 ， 对 变 频 器 不 利 。 2、 载 波 频 率 对 变 频 器 输 出 二 次 电 流 的 波 形 影 响 ： 当 载 波 频 率 高 时 ， 电 流 波 形 正 弦 性 好 ， 而 且 平 滑 。 这 样 谐 波 就 小 ， 干 扰 就 小 ， 反 之就 差 ， 当 载 波 频 率 过 低 时 ， 电 机 有 效 转 矩

3、 减 小 ， 损 耗 加 大 ， 温 度 增 高 的 缺 点 ， 反 之 载 波频 率 过 高 时 ， 变 频 器 自 身 损 耗 加 大 ， IGBT 温 度 上 升 ， 同 时 输 出 电 压 的 变 化 率 dv/dt增 大 ， 对 电 动 机 绝 缘 影 响 较 大 。 3、 载 波 频 率 对 电 动 机 的 噪 音 的 影 响 ： 载 波 频 率 越 高 电 动 机 的 噪 音 相 对 越 小 。 4、 载 波 频 率 与 电 动 机 的 发 热 ： 载 波 频 率 高 电 动 机 的 发 热 也 相 对 较 小 。 在 实 际 使 用 中 要 综 合 以 上 各 点 ， 合 理

4、选 择 变 频 器 的 载 波 频 率 。 一 般 电 动 机 功率 越 大 ， 载 率 选 项 得 越 小 。载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会发生混叠，使传输信号失真。 信号源的信号不能传输得很远,所以要加上载波. 举个例子:将人(信号源)从一个地方送到另外一个地方 ,走路的话要很长时间,人会很累( 信号衰减). 如果让他坐车(载波), 则时间很短人也舒服( 信号不失真), 那么坐什么交通工具呢(选择调制方法)? 要根据他的具体情况来判断( 信号的特点是用途 )变频器(开关频率)载波频率变频器大多是采用 PWM 调制的形式进行

5、变频器的。也就是说变频器输出的电压其实是一系列的脉冲，脉冲的宽度和间隔均不相等。其大小就取决于调制波和载波的交点，也就是开关频率。开关频率越高，一个周期内脉冲的个数就越多，电流波形的平滑性就越好，但是对其它设备的干扰也越大。载波频率越低或者设置的不好，电机就会发出难听的噪音。通 过 调 节 开 关 频 率 可 以 实 现 系 统 的 噪 音 最 小 ， 波 形 的 平 滑 型 最 好 ， 同 时 干 扰 也 是 最 小 的 。1 低 压 变 频 器 概 述对 电 压 500V 的 变 频 器 ， 当 今 几 乎 都 采 用 交 直 交 的 主 电 路 ， 其 控 制 方 式 亦 选用 正 弦

6、脉 宽 调 制 即 SPWM,它 的 载 波 频 率 是 可 调 的 ， 一 般 从 1-15kHz， 可 方 便 地 进 行 人为 选 用 。 但 在 实 际 使 用 中 不 少 用 户 只 是 按 照 变 频 器 制 造 单 位 原 有 的 设 定 值 ， 并 没 有 根 据现 场 的 实 际 情 况 进 行 调 整 ， 因 而 造 成 因 载 波 频 率 值 选 择 不 当 ， 而 影 响 正 确 ， 感 觉 的 有 效工 作 状 态 ， 因 此 在 变 频 器 使 用 过 程 中 如 何 来 正 确 选 择 变 频 器 的 载 波 频 率 值 亦 是 重 要 的 事 。本 文 就 此

7、提 供 应 该 从 以 下 诸 方 面 来 考 虑 ， 并 正 确 选 择 载 波 频 率 值 的 依 据 。2 载 波 频 率 与 功 率 损 耗功 率 模 块 IGBT 的 功 率 损 耗 与 载 波 频 率 有 关 ， 且 随 载 波 频 率 的 提 高 、 功 率 损 耗 增 大 ，这 样 一 则 使 效 率 下 降 ， 二 则 是 功 率 模 块 发 热 增 加 ， 对 运 行 是 不 利 的 ， 当 然 变 频 器 的 工 作电 压 越 高 ， 影 响 功 率 损 耗 亦 加 大 。 对 不 同 电 压 、 功 率 的 变 频 器 随 着 载 波 频 率 的 加 大 、 功率 损

8、耗 具 体 变 化 ， 可 见 图 1A-E 所 示 。3 载 波 频 率 与 环 境 温 度当 变 频 器 在 使 用 时 载 波 频 率 要 求 较 高 ， 而 且 环 境 温 度 亦 较 高 的 情 况 下 ， 对 功 率 模 块是 非 常 不 利 的 ， 这 时 对 不 同 功 率 的 变 频 器 随 着 使 用 的 载 波 频 率 的 高 低 及 环 境 温 度 的 大 小 ，对 变 频 器 的 允 许 恒 输 出 电 流 要 适 当 的 降 低 ， 以 确 保 功 率 模 块 IGBT 安 全 、 可 靠 、 长 期地 运 行 。 可 参 见 表 1 及 图 2A-D 所 示 。4

9、 载 波 频 率 与 电 动 机 功 率电 动 机 功 率 大 的 ， 相 对 选 用 载 波 频 率 要 低 些 ， 目 的 是 减 少 干 扰 (对 其 它 设 备 使 用的 影 响 )， 一 般 都 遵 守 这 个 原 则 ， 但 不 同 制 造 厂 具 体 值 亦 不 同 的 。例 ， 日 本 有 下 列 关 系 供 参 考 载 波 频 率 15kHz 10kHz 5kHz 电 动 机 频 率 30kW 37-100kW 185-300kW 例 ， 芬 兰 VACON 载 波 频 率 1-16kHz 1-6kHz 电 动 机 功 率 90kW 110-1500kW 例 ， 深 圳 安

10、圣 (原 华 为 ) 载 波 频 率 6kHz 3kHz 1kHz 电 动 机 功 率 5.5-22kW 30-55kW 75-200kW 例 ， 成 都 佳 灵 公 司 JP6C-T9 系 列 载 波 频 率 2-6kHz 2-4kHz 电 动 机 功 率 0.75-55kW 75-630kW 5 载 波 频 率 与 变 频 器 的 二 次 出 线 (U， V， W)长 度 载 波 频 率 15kHz 10kHz 5kHz 1kHz 线 路 长 度 50-100M 100-150M 150-200M 6 载 波 频 率 对 变 频 器 输 出 二 次 电 流 的 波 形 众 所 周 知 变

11、频 器 的 逆 变 (DC/AC 变 换 )部 分 是 由 IGBT 通 过 正 弦 脉 宽 调 制 SPWM 后 ,产 生 呈 正 弦 波 的 电 流 波 形 ,那 么 载 波 频 率 的 大 小 、 直 接 影 响 电 流 波 形 的 好 坏 程 度 ,以及 干 扰 的 大 小 ,而 且 载 波 频 率 的 大 小 是 较 为 敏 感 和 直 接 的 ,所 以 在 运 行 过 程 中 首 先 要 正确 选 择 载 波 频 率 值 的 大 小 后 ,然 后 再 考 虑 附 加 各 种 抑 制 谐 波 装 置 ,例 AC 电 抗 器 、 DC 电抗 器 、 滤 波 器 、 另 序 电 抗 器

12、， 及 安 装 布 线 、 接 地 等 措 施 ， 这 样 处 理 是 较 合 理 的 、 更 有 效的 ， 切 不 可 本 未 倒 置 来 处 理 问 题 ， 这 是 很 重 要 的 原 则 。 当 载 波 频 率 高 时 ， 电 流 波 形 正 弦性 好 ， 而 且 平 滑 。 这 样 谐 波 就 小 ， 干 扰 就 小 ， 反 之 就 差 ， 当 载 波 频 率 过 低 时 ， 电 机 有 效转 矩 减 小 ， 损 耗 加 大 ， 温 度 增 高 的 缺 点 ， 反 之 载 波 频 率 过 高 时 ， 变 频 器 自 身 损 耗 加 大 ，IGBT 温 度 上 升 ， 同 时 输 出 电

13、 压 的 变 化 率 dv/dt 增 大 ， 对 电 动 机 绝 缘 影 响 较 大 。 具 体 例如 表 2。 7 载 波 频 率 对 电 动 机 的 噪 音 电 动 机 的 噪 音 来 自 通 风 躁 音 、 电 磁 噪 音 、 机 械 噪 音 三 个 方 面 ， 对 通 风 和 机 械 噪 音 在此 估 且 不 谈 ， 只 就 使 用 变 频 器 后 对 电 磁 噪 音 问 题 作 下 分 析 。 变 频 器 的 输 出 电 压 、 电 流 中 含 有 一 定 分 量 的 高 次 谐 波 ， 使 电 动 机 气 隙 的 高 次 谐 波 磁通 增 加 ， 所 以 噪 声 变 大 。 其 特

14、 征 为 : (1)由 于 变 频 器 输 出 的 较 低 的 高 次 谐 波 分 量 与 转 子 固 有 频 率 的 谐 振 ， 使 转 子 固 有 频率 附 近 的 噪 音 增 大 。 (2)由 于 变 频 器 输 出 的 高 次 谐 波 使 铁 心 、 机 壳 、 轴 承 座 等 的 谐 振 ， 在 固 有 频 率 附 近的 噪 音 增 大 。 (3)噪 音 与 载 波 频 率 大 小 有 直 接 关 系 ， 当 载 波 频 率 高 时 相 对 噪 音 就 小 。 (4)经 测 试 得 到 当 电 动 机 在 变 频 运 行 时 ， 比 在 工 频 50Hz 运 行 时 ， 噪 声 只

15、大 2dB可 见 影 响 不 很 大 ， 其 绝 对 值 约 在 70dB 附 近 。 (5)采 用 变 频 电 动 机 能 降 低 相 同 运 行 参 数 时 的 噪 音 6-10dB。 8 载 波 频 率 与 电 动 机 的 振 动 电 动 机 的 振 动 原 因 可 分 为 电 磁 与 机 械 两 种 ， 这 里 估 且 不 谈 机 械 原 因 ， 只 就 电 磁 原 因作 下 分 析 : (1) 由 于 较 低 次 的 高 次 谐 波 分 量 与 转 子 的 谐 振 ， 其 固 有 频 率 附 近 的 振 动 分 量 增 加 。(2) 由 于 高 次 谐 波 产 生 脉 动 转 矩 的

16、 影 响 发 生 振 动 。 (3) 当 采 用 变 频 器 后 在 相 同 50Hz 频 率 下 工 作 时 振 动 略 大 ， 尤 其 当 工 作 频 率 20Hz时 振 动 将 增 至 全 振 幅 为 7um， 工 作 频 率 80Hz-120Hz 全 振 幅 将 增 为 6um， 且 电 动 机 极 数小 的 较 极 数 大 的 略 为 严 重 。 (4) 可 采 用 输 出 AC 电 抗 器 减 振 动 。 (5) 将 v/f 给 定 小 些 。 (6) 采 用 变 频 电 动 机 可 降 低 振 动 。 (7) 对 高 速 磨 床 等 可 采 用 低 噪 声 、 低 振 动 的 专

17、 用 电 动 机 。 9 载 波 频 率 与 电 动 机 的 发 热 由 于 逆 变 器 采 用 正 弦 脉 宽 调 制 后 其 电 流 输 出 波 形 是 近 似 正 弦 波 ， 谐 波 分 量 见 图3， 必 定 有 一 定 分 量 的 各 次 的 高 次 谐 波 产 生 ， 以 及 波 形 不 够 光 滑 有 毛 刺 出 现 ， 庶 必 造 成输 出 电 流 的 增 加 可 达 10%， 而 发 热 与 电 流 I2 成 正 比 ， 因 此 在 相 同 工 作 频 率 相 同 负 荷 下 ，使 用 变 频 器 后 电 动 机 的 温 升 略 高 些 ， 为 尽 可 能 减 少 这 部 分

18、 损 耗 ， 要 尽 可 能 使 载 波 频 率 值大 些 ， 对 运 行 有 利 ， 或 选 用 变 频 电 动 机 ， 具 体 解 决 办 法 是 : (1) 尽 可 能 选 用 较 高 载 波 频 率 ， 以 改 善 输 出 电 流 波 形 。 (2) 加 装 输 入 、 输 出 AC 电 抗 器 或 有 源 滤 波 器 等 。 (3) 选 用 变 频 电 动 机 。 (4) 变 频 器 的 工 作 频 率 要 低 于 20Hz， 而 生 产 设 备 就 要 低 速 ， 而 且 有 较 大 的 负 荷 运行 时 ， (下 转 34 页 )(上 接 50 页 )电 动 机 输 出 轴 后

19、再 加 装 一 级 减 速 器 ， 以 利 工 作 频 率(变 频 器 )提 高 ， 且 增 大 输 出 转 矩 ， 以 利 统 一 解 决 负 荷 的 要 求 、 变 频 器 的 许 可 ， 以 及 电动 机 的 振 动 、 噪 音 、 发 热 、 工 作 频 率 、 载 波 频 率 几 方 面 统 筹 的 合 理 解 决 。 10 载 波 频 率 与 变 频 器 输 入 三 相 电 流 的 不 平 衡 度 变 频 器 的 输 入 部 分 是 6 脉 冲 三 相 桥 式 二 极 管 整 流 电 路 即 AC/DC 变 换 ， 由 于 二 极 管是 非 线 性 元 件 ， 在 实 际 装 配

20、时 ， 每 个 元 件 的 内 阻 抗 不 会 一 致 ， 造 成 三 相 不 匹 配 ， 又 因 输入 电 流 是 非 正 弦 性 ， 这 样 就 造 成 输 入 变 频 器 的 三 相 电 流 的 不 平 衡 产 生 原 因 ， 尤 其 当 输 入电 压 就 存 在 较 大 的 不 平 衡 ， 例 :有 3-5%的 差 值 ， 这 样 三 相 输 入 电 流 最 大 可 能 出 现 有10-20%的 差 别 ， 这 是 经 常 有 可 能 出 现 的 ， 为 改 善 输 入 电 流 三 相 的 不 平 衡 度 ， 尽 可 能 减少 起 见 ， 通 常 采 用 以 下 方 法 : (1) 改

21、 善 电 网 品 质 使 它 不 平 衡 度 尽 可 能 小 些 。 (2) 选 用 高 档 次 优 质 品 牌 的 变 频 器 。 (3) 尽 可 能 提 高 载 波 频 率 值 。 (4) 调 换 R、 S、 T 三 相 的 相 序 (变 频 器 输 入 电 压 相 位 不 需 理 相 ) (5) 选 用 变 频 电 动 机 通 过 以 上 方 法 使 三 相 不 平 衡 度 尽 可 能 减 小 为 原 则 ， 要 绝 对 平 衡 难 以 做 到 的 。但 变 频 器 输 出 三 相 电 流 基 本 是 平 衡 的 ， 这 里 还 要 注 意 的 测 量 变 频 器 的 输 入 或 输 出

22、 电 压 、电 流 时 ， 最 好 选 用 一 只 ， 只 反 映 基 波 (50Hz)的 带 有 滤 波 的 电 压 、 电 流 表 、 钳 形 电 流 表万 能 或 表 为 宜 ， 否 则 测 量 值 比 实 际 值 出 现 偏 大 的 现 象 ， 这 点 亦 要 注 意 的 。变频器的输出电压的波形，都是经过 PWM 调制后的系列脉冲波。PWM 调制的基本方法是：各脉冲的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交点决定的。在这里，正弦波称为调制波，三角波称为载波。三角波的频率就称为载波频率。输出电压脉冲序列的频率必等于载波频率，也就对应着 IGBT 的开关频率，变频器的脉冲频率等，都是一回事

23、。 IGBT 的通断都有一个时间，称为接通时间 Ton 和关断时间 Toff，统称为开关时间。变频器输出电流越大，所需要的开关时间也越长（参考常用变频器功能手册张燕宾编著），载波频率越高，开关死区的累计值越大，平均输出电流越小。因此，载波频率越高，变频器允许的输出电流越小。提高载波频率时要降容。 （关于提高脉冲频率后变频器降容，西门子是这样解释的。脉冲频率提高后，开关损耗变大，发热量大，所以要降低电流输出。） 在提高载波频率时，线路与地之间分布电容的容抗变小，由高频脉冲电压引起的漏电流变大。另外，对其他设备的干扰也越严重。另外，电动机定子绕组的集肤效应也越严重，有效电阻值及其损失增大，电机输出

24、功率越小。开关时间也会变长，输出功率也受此影响而越小。 变频器的载波频率就是决定逆变器的功率开关器件（如：IGBT）的开通与关断的次数的频率。 它主要影响以下几方面： 1、功率模块 IGBT 的功率损耗与载波频率有关，载波频率提高，功率损耗增大，功率模块发热增加，对变频器不利。 2、载波频率对变频器输出二次电流的波形影响： 当载波频率高时，电流波形正弦性好，而且平滑。这样谐波就小，干扰就小，反之就差，当载波频率过低时，电机有效转矩减小，损耗加大，温度增高的缺点，反之载波频率过高时，变频器自身损耗加大，IGBT 温度上升，同时输出电压的变化率 dv/dt 增大，对电动机绝缘影响较大。 3、载波频

25、率对电动机的噪音的影响：载波频率越高电动机的噪音相对越小。 4、载波频率与电动机的发热：载波频率高电动机的发热也相对较小。 在实际使用中要综合以上各点，合理选择变频器的载波频率。一般电动机功率越大，载率选项得越小。 载波频率越低，电机噪声就大，反之则小。根据不同的环境设定载波频率的参数值。当杂声较大的工厂，可以将载波频率的参数值设定大一点。而在清静的宾馆旋转门中，可以使噪音小一点。假定变频器的输出频率为 40Hz，也就是说每秒变化 40 个周期正弦曲线，由于变频器输出的并非纯正的正弦曲线，每个周期的正弦曲线是由无限多个小方波组成。当然将这些小的方波连起来，可以近似的看成一个正弦曲线。以上小方波就是载波频率，小的方波愈密集，就愈接近正弦波。假如载波频率为10kHz，也就是正弦曲线是由：每秒 10kHz 的小的方波组成。由此可不难理解，为什么当载波频率低时，电机的噪音就大，而载波频率高时，电机的噪音就小，原因就是变频输出的波形与纯正的正弦波的误差，也就是波形的平滑程度，波形愈平滑，电机的噪音就愈小。1. 载波频率与功率损耗的关系2. 载波频率与环境温度的关系3. 载波频率与电动机功率的关系4. 载波频率与变频器输出端连接电缆的关系5. 载波频率与变频器输出电流波形的关系6. 载波频率与电动机噪声的关系7. 载波频率与电动机振动及发热的关系