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浅析变频器的低频特性及改善方法

2011-01-20 14:23
默菲
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  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。

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