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变频器的载波频率分析


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变频器大多是采用PWM调制的形式进行变频器的。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

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。

4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15kHz10kHz5kHz

电动机频率≤30kW37-100kW185-300kW

例,芬兰VACON

载波频率1-16kHz1-6kHz

电动机功率≤90kW110-1500kW

例,深圳安圣(原华为)

载波频率6kHz3kHz1kHz

电动机功率5.5-22kW30-55kW75-200kW

例,成都佳灵公司JP6C-T9系列

载波频率2-6kHz2-4kHz

电动机功率0.75-55kW75-630kW


5载波频率与变频器的二次出线(U,V,W)长度

载波频率15kHz10kHz5kHz1kHz

线路长度<50M>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,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。(http://www.diangon.com版权所有)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。

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,电动机输出轴后再加装一级减速器,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。


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