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變頻器低頻運行淺釋
2018-06-25

    由變頻器構成的交流調速系統普遍存在的問題是,系統運行在低頻區域時,其性能不夠理想,主要表現在低頻啟動時啟動轉矩小,造成系統啟動困難甚至無法啟動。由于變頻器的非線性產生的高次諧波,引起電動機的轉距脈動及電動機發熱,并且電動機運行噪聲也加大。低頻穩態運行時,受電網電壓波動或系統負載的變化及變頻器輸出電壓波形的奇變,將造成電動機的抖動。當變頻器距電動機距離較大時及高次諧波對控制電路的干擾,極易引起電動機的爬行。由于上述各種現象,嚴重降低由變頻器構成的調速系統的調速特性和動態品質指標,本文對系統的低頻機械特性和變頻器的低頻特性進行分析,提出采取相應的措施,以使系統的低頻運行特性能得以改善。 

    1 變頻器低頻機械特性 
    1.1 低頻啟動特性 
    異步電動機改變定子頻率F1,即可平滑地調節電動機的同步轉速,但是隨著F1的變化,電動機的機械特性也將發生改變,尤其是在低頻區域,根據異步電動機的最大轉距公式: 
    Temax=3/2{np(U1/W1)2}/{R1/W1+/(R2/W1)2+(LL1+LL2)2} 式中np—電動機極對數; 
    R1—定子每相電阻; 
    R2—折合到定子側的轉子每相電阻; 
    LL1—定子每相漏感; 
    LL2—折合到定子側的轉子每漏感; 
    U1—電動機定子每相電壓; 
    W1—電源角頻率 
    可見Temax是隨著W1的降低而減小,在低頻時,R1已不可忽略。Temax將隨著W1的減小而減小,啟動轉距也將減小,甚至不能帶動負載。 
    1.2 低頻穩態特性 
    電動機穩態運行時的轉距公式如下: 
    TL=3np(U1/W1)2SW1R2/{(SR1+R2)2+S2W2(LL1+LL2)2 } 
    在角頻率W1為額定時,R1可以忽略。而在低頻時,R1已不能忽略,故在低頻區時由于R1上的壓降所占的比重增加,將無法維持M的恒定,特別是在電網電壓變化和負載變化時,系統將出現抖動和爬行。 
    2 變頻器調速系統低頻特性 
    2.1 諧波分析 
    由變頻器構成的調速系統,由于變頻器的非線性,電動機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,使電動機損耗和感抗增大,減少了cosφ,從而影響輸出轉距,并將產生6倍于基波頻率的脈動轉距。 
    以電流波形中的5次、7次諧波來分析,在三相電動機定子電流中的5次諧波頻率為 F5=5F1 (F1為基波電流頻率),它在電動機氣隙中產生空間負序的磁勢和磁場,這個磁場的轉速 n51為基波電流所產生磁場的轉速n11的5倍,并且沿著與基波磁場反的方向旋轉,由于電動機轉速一定,并假設接近n11,這樣由5次諧波磁勢在轉子內感應出6倍于基波頻率的轉子電流,此電流與氣隙基波磁勢的合成作用產生6倍于基波頻率的脈動轉距。 
    7次諧波所產生的磁場與基波同相序,但它所產生的旋轉磁場轉速7倍于基波旋轉磁場的轉速,故相應轉子電流諧波與氣隙主磁場的相對轉速也是6倍于基波頻率,也產生一個6倍于基波頻率的脈動轉距。 
    以上兩個6倍于基波頻率的脈動轉距一齊使電動機的電磁轉距發生脈動,雖然其平均值為零,但脈動轉距使電動機轉速不均勻,在低頻運行時影響最大。 
    2.2 準方波方式下脈動轉距的產生 
    分別設ψ1、ψ2為定子磁鏈及轉子磁鏈的空間矢量,在穩態準方波(QSW)運行方式時(橋中晶閘管用1800電角脈沖觸發)ψ1在輸出周期內沿著正六邊形的周邊運動。ψ2沿著與六邊形同心的圓周運動,在準方波運行方式下ψ1和ψ2運動是連續的,但它們且有重大的區別,當矢量ψ2以恒定定子電壓角速度W1旋轉時,矢量ψ1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運行,矢量ψ1線速度恒定導致其角速度的變化,進而引起ψ1和ψ2的夾角δ變化,除此,當ψ1沿著六角形軌跡移動時其幅值在一定程度上也有變化。當電動機空載時,由于處于穩態ψ1與ψ2的夾角與轉距T在W1t=0、π/6、π/3時為零,而當W1T≠0、π/6、π/3時,δ不為零,它與上面提到的ψ1幅值變化一起引起低頻轉距脈動,其頻率為定子電壓基波的6倍,當電動機帶負載時對應于一個恒定的δ均值,低頻轉距脈動將疊加于恒定轉距均值之上。 
    3 系統低頻特性改善措施 
    3.1 啟動轉距的提升 
    由于系統在低頻時R1上的壓降影響,使系統的啟動轉距隨W1下降而減小,為此變頻器設有轉距提升功能,該功能可以調整低頻區域電動機的力矩,使之與負荷配合,增大啟動轉距。可選擇自動轉距提升和手動轉距提升模式,其原理是提升定子電壓也就相應提高了啟動轉距,但提升電壓設置過高,將導致電流過大引起電動機飽和、過熱或過電流跳閘。如1336PLUS系列變頻器的轉距提升功能,可自動調整提升電壓,以產生所需的電壓,可根據預定轉距所需的電流來選擇提升電壓,轉距提升在控制電流的同時使電動機處于最佳運行狀態,在選擇手動轉距提升時,要結合實際情況來設定轉距提升值。 
    3.2 改善低頻轉距脈動 
    變頻器構成的交流調速系統的低頻轉距脈動直接影響系統動態特性,不論是變頻器的生產廠和系統集成的工程技術人員,都在盡力于改善低頻區脈動這一技術問題.如采用磁通控制方式、正弦波PWM控制方式,它不是按照調制正弦波和載波的交點來控制GTR的導通和關斷,而是始終使異步電動機的磁通接近正弦波,旋轉
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