浅析变频器的低频特性及改善方法

　　一、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。

　　二、变频器低频机械特性

　　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、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。

　　三、变频器调速系统低频特性

　　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；谐波；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。

　　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。　　四、系统低频特性改善措施

　　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。

　　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。

　　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=1/3VdcVc=-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。

　　1.1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。

　　1.2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。