變頻器低頻特性及改善措施

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(yùn)行在低頻區(qū)域時(shí),其性能不夠理想,主要表現(xiàn)在低頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,造成系統(tǒng)啟動(dòng)困難甚至無(wú)法啟動(dòng)。由于變頻器的非線性產(chǎn)生的高次諧波，引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距脈動(dòng)及電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，并且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲也加大。低頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，受電網(wǎng)電壓波動(dòng)或系統(tǒng)負(fù)載的變化及變頻器輸出電壓波形的奇變，將造成電動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)。當(dāng)變頻器距電動(dòng)機(jī)距離較大時(shí)及高次諧波對(duì)控制電路的干擾，極易引起電動(dòng)機(jī)的爬行。由于上述各種現(xiàn)象，嚴(yán)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(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，本文對(duì)系統(tǒng)的低頻機(jī)械特性和變頻器的低頻特性進(jìn)行分析，提出采取相應(yīng)的措施，以使系統(tǒng)的低頻運(yùn)行特性能得以改善。

2 變頻器低頻機(jī)械特性

2.1 低頻啟動(dòng)特性
異步電動(dòng)機(jī)改變定子頻率F1,即可平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,但是隨著F1的變化,電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)距公式:
Temax=3/2{np(U1/W1)2}/{R1/W1+/(R2/W1)2+(LL1+LL2)2} 式中np—電動(dòng)機(jī)極對(duì)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(dòng)機(jī)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(shí)，R1已不可忽略。Temax將隨著W1的減小而減小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距也將減小，甚至不能帶動(dòng)負(fù)載。
2.2 低頻穩(wěn)態(tài)特性
電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)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(shí),R1可以忽略。而在低頻時(shí),R1已不能忽略,故在低頻區(qū)時(shí)由于R1上的壓降所占的比重增加,將無(wú)法維持M的恒定,特別是在電網(wǎng)電壓變化和負(fù)載變化時(shí),系統(tǒng)將出現(xiàn)抖動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)損耗和感抗增大,減少了cosφ,從而影響輸出轉(zhuǎn)距,并將產(chǎn)生6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距。
以電流波形中的5次、7次諧波來(lái)分析，在三相電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間負(fù)序的磁勢(shì)和磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 n51為基波電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n11的5倍，并且沿著與基波磁場(chǎng)反的方向旋轉(zhuǎn)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，并假設(shè)接近n11，這樣由5次諧波磁勢(shì)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(shì)的合成作用產(chǎn)生6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距。
7次諧波所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與基波同相序，但它所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速7倍于基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，故相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流諧波與氣隙主磁場(chǎng)的相對(duì)轉(zhuǎn)速也是6倍于基波頻率，也產(chǎn)生一個(gè)6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距。
以上兩個(gè)6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距一齊使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距發(fā)生脈動(dòng)，雖然其平均值為零，但脈動(dòng)轉(zhuǎn)距使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，在低頻運(yùn)行時(shí)影響最大。
3.2 準(zhǔn)方波方式下脈動(dòng)轉(zhuǎn)距的產(chǎn)生
分別設(shè)ψ1、ψ2為定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈的空間矢量，在穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)方波(QSW)運(yùn)行方式時(shí)(橋中晶閘管用1800電角脈沖觸發(fā))ψ1在輸出周期內(nèi)沿著正六邊形的周邊運(yùn)動(dòng)。ψ2沿著與六邊形同心的圓周運(yùn)動(dòng)，在準(zhǔn)方波運(yùn)行方式下ψ1和ψ2運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，但它們且有重大的區(qū)別，當(dāng)矢量ψ2以恒定定子電壓角速度W1旋轉(zhuǎn)時(shí)，矢量ψ1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運(yùn)行，矢量ψ1線速度恒定導(dǎo)致其角速度的變化，進(jìn)而引起ψ1和ψ2的夾角δ變化，除此，當(dāng)ψ1沿著六角形軌跡移動(dòng)時(shí)其幅值在一定程度上也有變化。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，由于處于穩(wěn)態(tài)ψ1與ψ2的夾角與轉(zhuǎn)距T在W1t=0、π/6、π/3時(shí)為零，而當(dāng)W1T≠0、π/6、π/3時(shí)，δ不為零，它與上面提到的ψ1幅值變化一起引起低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)，其頻率為定子電壓基波的6倍，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)于一個(gè)恒定的δ均值，低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)距的提升
由于系統(tǒng)在低頻時(shí)R1上的壓降影響,使系統(tǒng)的啟動(dòng)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(dòng)機(jī)的力矩,使之與負(fù)荷配合,增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)距�？蛇x擇自動(dòng)轉(zhuǎn)距提升和手動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)距，但提升電壓設(shè)置過高，將導(dǎo)致電流過大引起電動(dòng)機(jī)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(dòng)調(diào)整提升電壓，以產(chǎn)生所需的電壓，可根據(jù)預(yù)定轉(zhuǎn)距所需的電流來(lái)選擇提升電壓，轉(zhuǎn)距提升在控制電流的同時(shí)使電動(dòng)機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，在選擇手動(dòng)轉(zhuǎn)距提升時(shí)，要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)設(shè)定轉(zhuǎn)距提升值。
4.2 改善低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)
變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)直接影響系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)來(lái)控制GTR的導(dǎo)通和關(guān)斷，而是始終使異步電動(dòng)機(jī)的磁通接近正弦波，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡是圓形來(lái)決定GTR的導(dǎo)通規(guī)律。在很低的頻率下，保證異步電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)旋轉(zhuǎn)均勻，從而擴(kuò)大了變頻調(diào)速范圍，抑制異步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。其圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)，是通過檢測(cè)磁通使控制環(huán)節(jié)隨時(shí)判斷實(shí)際磁通超過誤差范圍與否，來(lái)改變GTR的工作模式，從而保證旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡呈圓形，以減少轉(zhuǎn)距脈動(dòng)。
4.3 圓周PWM方法降低轉(zhuǎn)距脈動(dòng)
“圓周”的含義是指定子磁鏈ψ1空間矢量在高斯平面中沿著一個(gè)非常接近于圓周的多邊形，其以降低電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)距為目的來(lái)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(yùn)行在這樣一種方式下，當(dāng)交流輸出端(a、b、c)之一在任何時(shí)候接通直流母線(應(yīng)同時(shí)接到另一個(gè)直流母線上),這一原理從圖1(a)中可以明顯表示清楚。顯然交流輸出端接到直流母線方式有六種，這就導(dǎo)致定子電壓U1的空間矢量有六個(gè)位置，這六個(gè)位置如圖1(b)所示，圖1(b)中六種開/關(guān)狀態(tài)對(duì)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(shí)相電壓如下：
Va=Vb=1/3Vdc Vc=-2/3Vdc
其余類推，符號(hào)Va、Vb、Vc代表三相輸出電壓的瞬時(shí)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(shí)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�，將這種運(yùn)行方式應(yīng)用到一個(gè)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(zhǔn)方波調(diào)制，負(fù)載上的相電壓由矩形段和零電壓段(U1=0時(shí))組成，在每個(gè)電壓脈沖時(shí)刻，矢量ψ1以恒定線速度移動(dòng)，而在零電壓段保持靜止，然而由于矢量ψ2以恒定角速度W1轉(zhuǎn)動(dòng)，ψ1和ψ2間的夾角δ就出現(xiàn)了，因此電壓斬波是引起高頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)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(shí)際上高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是很難消除的，并疊加于低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)之上。為消除系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可從以下兩種方式開展工作。
(1) 在電壓脈沖中間點(diǎn)的時(shí)刻,矢量ψ1、ψ2間的夾角δ在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)于所有脈沖應(yīng)保持恒定，消除由δ變化而產(chǎn)生的對(duì)低頻轉(zhuǎn)矩(頻率為6F1)的影響，在空載情況下δ=0盡管ψ1的幅值變化，低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然將被完全消除。
(2) 在恒定的負(fù)載時(shí)(δ-cost≠0)僅僅ψ1幅值的變化引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),而負(fù)載引起ψ2幅值的變化可以忽略,因此必須獲得一個(gè)比較接近于圓周的ψ1矢量軌跡。
圓周PWM是利用空載矢量ψ1的空間位置來(lái)確定電壓脈沖的中間點(diǎn),即晶閘管導(dǎo)通段及零電壓段的合理組合,可以產(chǎn)生幅值變化可以忽略不計(jì)的ψ1,此原理如圖1所示,ψ1停止時(shí)刻(即零電壓段)用圓點(diǎn)標(biāo)出,確定電壓脈沖位置使它們對(duì)稱,如圖中各橫坐標(biāo)的中間點(diǎn),脈沖寬度(即持續(xù)時(shí)間)與橫坐標(biāo)長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng),所要求的輸出電壓來(lái)確定.自然電壓波形周期由ψ1矢量沿多邊形轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間確定。采用此方法在保持輸出電壓由零到最大值可變的同時(shí)，可有效的消除低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
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