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变频器低频特性分析及改善措施


  安迅自动化设备有限公司(东莞变频器维修中心)

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  1 概述

  由变频器构成的交流调速系统普遍存在的问题是,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大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=3/2{np(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cosφ,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ψ1、ψ2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)ψ1在输出周期内沿着正六边形的周边运动。ψ2沿着与六边形同心的圆周运动,在准方波运行方式下ψ1和ψ2运动是连续的,但它们且有重大的区别,当矢量ψ2以恒定定子电压角速度W1旋转时,矢量ψ1以恒定的线速度沿正六边形周边运行,矢量ψ1线速度恒定导致其角速度的变化,进而引起ψ1和ψ2的夹角δ变化,除此,当ψ1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ψ1与ψ2的夹角与转距T在W1t=0、π/6、π/3时为零,而当W1T≠0、π/6、π/3时,δ不为零,它与上面提到的ψ1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δ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ψ1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:

  Va=Vb=1/3Vdc Vc=-2/3Vdc

  其余类推,符号Va、Vb、Vc代表三相输出电压的瞬时相电压值,假如Ia+Ib+Ic=0由空间矢量在A、B、C轴上的垂直投影就可得到Va、Vb、Vc,除以上六种开/关状态外,还有使开关1、3、5或2、4、6同时关断两种状态,在这种情况下,交流输出端a、b、c接到同一电位上,U1及Ua、Ub、Uc顺次变为零,将这种运行方式应用到一个三电平PWM逆变器上可获得与两电平PWM相比而言较低的谐波成分。

  PWM形式是一种斩波准方波调制,负载上的相电压由矩形段和零电压段(U1=0时)组成,在每个电压脉冲时刻,矢量ψ1以恒定线速度移动,而在零电压段保持静止,然而由于矢量ψ2以恒定角速度W1转动,ψ1和ψ2间的夹角δ就出现了,因此电压斩波是引起高频转距脉动的主要原因,频率与输出电压矩脉冲频率相同。这是由于PWM自身固有的,实际上高频转矩脉动是很难消除的,并叠加于低频转矩脉动之上。为消除系统的低频转矩脉动可从以下两种方式开展工作。

  (1) 在电压脉冲中间点的时刻,矢量ψ1、ψ2间的夹角δ在稳态运行时对于所有脉冲应保持恒定,消除由δ变化而产生的对低频转矩(频率为6F1)的影响,在空载情况下δ=0尽管ψ1的幅值变化,低频转矩脉动仍然将被完全消除。

  (2) 在恒定的负载时(δ-cost≠0)仅仅ψ1幅值的变化引起低频转矩脉动,而负载引起ψ2幅值的变化可以忽略,因此必须获得一个比较接近于圆周的ψ1矢量轨迹。

  圆周PWM是利用空载矢量ψ1的空间位置来确定电压脉冲的中间点,即晶闸管导通段及零电压段的合理组合,可以产生幅值变化可以忽略不计的ψ1,此原理如图1所示,ψ1停止时刻(即零电压段)用圆点标出,确定电压脉冲位置使它们对称,如图中各横坐标的中间点,脉冲宽度(即持续时间)与横坐标长度相对应,所要求的输出电压来确定.自然电压波形周期由ψ1矢量沿多边形转一周所需的时间确定。采用此方法在保持输出电压由零到最大值可变的同时,可有效的消除低频转矩脉动。

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