一、概述

　　由變頻器(qì)構成的(de)交流調速系統普遍存在的(de)問題是，系統運行(xíng)在低頻區域時，其性能(néng)不夠理(lǐ)想，主要表現在低頻啓動時啓動轉矩小(xiǎo)，造成系統啓動困難甚至無法啓動。由于變頻器(qì)的(de)非線性産生的(de)高(gāo)次諧波，引起電動機的(de)轉距脈動及電動機發熱(rè)，并且電動機運行(xíng)噪聲也(yě)加大(dà)。低頻穩态運行(xíng)時，受電網電壓波動或系統負載的(de)變化及變頻器(qì)輸出電壓波形的(de)奇變，将造成電動機的(de)抖動。當變頻器(qì)距電動機距離(lí)較大(dà)時及高(gāo)次諧波對控制(zhì)電路(lù)的(de)幹擾，極易引起電動機的(de)爬行(xíng)。由于上(shàng)述各種現象，嚴重降低由變頻器(qì)構成的(de)調速系統的(de)調速特性和(hé)動态品質指标，本文(wén)對系統的(de)低頻機械特性和(hé)變頻器(qì)的(de)低頻特性進行(xíng)分(fēn)析，提出采取相(xiàng)應的(de)措施，以使系統的(de)低頻運行(xíng)特性能(néng)得以改善。

　　二、變頻器(qì)低頻機械特性
　　1、低頻啓動特性
　　異步電動機改變定子頻率F1，即可(kě)平滑地(dì)調節電動機的(de)同步轉速，但(dàn)是随著(zhe)F1的(de)變化，電動機的(de)機械特性也(yě)将發生改變，尤其是在低頻區域，根據異步電動機的(de)最大(dà)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(xiàng)電阻;
　　R2—折合到(dào)定子側的(de)轉子每相(xiàng)電阻;
　　LL1—定子每相(xiàng)漏感;
　　LL2—折合到(dào)定子側的(de)轉子每漏感;
　　U1—電動機定子每相(xiàng)電壓;
　　W1—電源角頻率
　　可(kě)見Temax是随著(zhe)W1的(de)降低而減小(xiǎo)，在低頻時，R1已不可(kě)忽略。Temax将随著(zhe)W1的(de)減小(xiǎo)而減小(xiǎo)，啓動轉距也(yě)将減小(xiǎo)，甚至不能(néng)帶動負載。
　　2、低頻穩态特性
　　電動機穩态運行(xíng)時的(de)轉距公式如(rú)下：
　　TL=3np（U1/W1）2SW1R2/{（SR1+R2）2+S2W2（LL1+LL2）2}
　　在角頻率W1爲額定時，R1可(kě)以忽略。而在低頻時，R1已不能(néng)忽略，故在低頻區時由于R1上(shàng)的(de)壓降所占的(de)比重增加，将無法維持M的(de)恒定，特别是在電網電壓變化和(hé)負載變化時，系統将出現抖動和(hé)爬行(xíng)。
　　三、變頻器(qì)調速系統低頻特性
　　1、諧波分(fēn)析
　　由變頻器(qì)構成的(de)調速系統，由于變頻器(qì)的(de)非線性，電動機定子中除了基波電流外，還有(yǒu)各次諧波電流，由于高(gāo)次諧波的(de)存在，使電動機損耗和(hé)感抗增大(dà)，減少(shǎo)了cosφ，從而影響輸出轉距，并将産生6倍于基波頻率的(de)脈動轉距。
　　以電流波形中的(de)5次、7次諧波來分(fēn)析，在三相(xiàng)電動機定子電流中的(de)5次諧波頻率爲F5=5F1（F1爲基波電流頻率），它在電動機氣隙中産生空間負序的(de)磁勢和(hé)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的(de)轉速n51爲基波電流所産生磁場(chǎng)的(de)轉速n11的(de)5倍，并且沿著(zhe)與基波磁場(chǎng)反的(de)方向旋轉，由于電動機轉速一定，并假設接近n11，這樣由5次諧波磁勢在轉子内感應出6倍于基波頻率的(de)轉子電流，此電流與氣隙基波磁勢的(de)合成作用(yòng)産生6倍于基波頻率的(de)脈動轉距。
　　7次諧波所産生的(de)磁場(chǎng)與基波同相(xiàng)序，但(dàn)它所産生的(de)旋轉磁場(chǎng)轉速7倍于基波旋轉磁場(chǎng)；諧波；的(de)轉速，故相(xiàng)應轉子電流諧波與氣隙主磁場(chǎng)的(de)相(xiàng)對轉速也(yě)是6倍于基波頻率，也(yě)産生一個(gè)6倍于基波頻率的(de)脈動轉距。
　　以上(shàng)兩個(gè)6倍于基波頻率的(de)脈動轉距一齊使電動機的(de)電磁轉距發生脈動，雖然其平均值爲零，但(dàn)脈動轉距使電動機轉速不均勻，在低頻運行(xíng)時影響最大(dà)。
　　2、準方波方式下脈動轉距的(de)産生
　　分(fēn)别設ψ1、ψ2爲定子磁鏈及轉子磁鏈的(de)空間矢量，在穩态準方波（QSW）運行(xíng)方式時（橋中晶閘管用(yòng)1800電角脈沖觸發）ψ1在輸出周期内沿著(zhe)正六邊形的(de)周邊運動。ψ2沿著(zhe)與六邊形同心的(de)圓周運動，在準方波運行(xíng)方式下ψ1和(hé)ψ2運動是連續的(de)，但(dàn)它們且有(yǒu)重大(dà)的(de)區别，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(de)線速度沿正六邊形周邊運行(xíng)，矢量ψ1線速度恒定導緻其角速度的(de)變化，進而引起ψ1和(hé)ψ2的(de)夾角δ變化，除此，當ψ1沿著(zhe)六角形軌迹移動時其幅值在一定程度上(shàng)也(yě)有(yǒu)變化。當電動機空載時，由于處于穩态ψ1與ψ2的(de)夾角與轉距T在W1t=0、π/6、π/3時爲零，而當W1T≠0、π/6、π/3時，δ不爲零，它與上(shàng)面提到(dào)的(de)ψ1幅值變化一起引起低頻轉距脈動，其頻率爲定子電壓基波的(de)6倍，當電動機帶負載時對應于一個(gè)恒定的(de)δ均值，低頻轉距脈動将疊加于恒定轉距均值之上(shàng)。
　　四、系統低頻特性改善措施
　　1、啓動轉距的(de)提升
　　由于系統在低頻時R1上(shàng)的(de)壓降影響，使系統的(de)啓動轉距随W1下降而減小(xiǎo)，爲此變頻器(qì)設有(yǒu)轉距提升功能(néng)，該功能(néng)可(kě)以調整低頻區域電動機的(de)力矩，使之與負荷配合，增大(dà)啓動轉距。可(kě)選擇自動轉距提升和(hé)手動轉距提升模式，其原理(lǐ)是提升定子電壓也(yě)就相(xiàng)應提高(gāo)了啓動轉距，但(dàn)提升電壓設置過高(gāo)，将導緻電流過大(dà)引起電動機飽和(hé)、過熱(rè)或過電流跳閘。如(rú)1336PLUS系列變頻器(qì)的(de)轉距提升功能(néng)，可(kě)自動調整提升電壓，以産生所需的(de)電壓，可(kě)根據預定轉距所需的(de)電流來選擇提升電壓，轉距提升在控制(zhì)電流的(de)同時使電動機處于最佳運行(xíng)狀态，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。
　　2、改善低頻轉距脈動
　　變頻器(qì)構成的(de)交流調速系統的(de)低頻轉距脈動直接影響系統動态特性，不論是變頻器(qì)的(de)生産廠(chǎng)和(hé)系統集成的(de)工(gōng)程技術(shù)人(rén)員，都(dōu)在盡力于改善低頻區脈動這一技術(shù)問題。如(rú)采用(yòng)磁通控制(zhì)方式、正弦波PWM控制(zhì)方式，它不是按照(zhào)調制(zhì)正弦波和(hé)載波的(de)交點來控制(zhì)GTR的(de)導通和(hé)關斷，而是始終使異步電動機的(de)磁通接近正弦波，旋轉磁場(chǎng)的(de)軌迹是圓形來決定GTR的(de)導通規律。在很低的(de)頻率下，保證異步電動機在低速時旋轉均勻，從而擴大(dà)了變頻調速範圍，抑制(zhì)異步電動機的(de)振動和(hé)噪聲。其圓形旋轉磁場(chǎng)的(de)實現，是通過檢測磁通使控制(zhì)環節随時判斷實際磁通超過誤差範圍與否，來改變GTR的(de)工(gōng)作模式，從而保證旋轉磁場(chǎng)的(de)軌迹呈圓形，以減少(shǎo)轉距脈動。
　　3、圓周PWM方法降低轉距脈動
　　“圓周”的(de)含義是指定子磁鏈ψ1空間矢量在高(gāo)斯平面中沿著(zhe)一個(gè)非常接近于圓周的(de)多邊形，其以降低電動機脈動轉距爲目的(de)來确定電壓脈沖的(de)寬度和(hé)位置。三相(xiàng)逆變器(qì)爲全波橋式結構，如(rú)其運行(xíng)在這樣一種方式下，當交流輸出端（a、b、c）之一在任何時候接通直流母線（應同時接到(dào)另一個(gè)直流母線上(shàng)），這一原理(lǐ)從圖1（a）中可(kě)以明(míng)顯表示清楚。顯然交流輸出端接到(dào)直流母線方式有(yǒu)六種，這就導緻定子電壓U1的(de)空間矢量有(yǒu)六個(gè)位置，這六個(gè)位置如(rú)圖1（b）所示，圖1（b）中六種開(kāi)/關狀态對應著(zhe)U1的(de)六種位置，圖中粗線位置表示開(kāi)關1、3、6處于開(kāi)的(de)位置，投影所産生的(de)瞬時相(xiàng)電壓如(rú)下：
　　Va=Vb=1/3VdcVc=-2/3Vdc
　　其餘類推，符号Va、Vb、Vc代表三相(xiàng)輸出電壓的(de)瞬時相(xiàng)電壓值，假如(rú)Ia+Ib+Ic=0由空間矢量在A、B、C軸上(shàng)的(de)垂直投影就可(kě)得到(dào)Va、Vb、Vc，除以上(shàng)六種開(kāi)/關狀态外，還有(yǒu)使開(kāi)關1、3、5或2、4、6同時關斷兩種狀态，在這種情況下，交流輸出端a、b、c接到(dào)同一電位上(shàng)，U1及Ua、Ub、Uc順次變爲零，将這種運行(xíng)方式應用(yòng)到(dào)一個(gè)三電平PWM逆變器(qì)上(shàng)可(kě)獲得與兩電平PWM相(xiàng)比而言較低的(de)諧波成分(fēn)。
　　PWM形式是一種斬波準方波調制(zhì)，負載上(shàng)的(de)相(xiàng)電壓由矩形段和(hé)零電壓段（U1=0時）組成，在每個(gè)電壓脈沖時刻，矢量ψ1以恒定線速度移動，而在零電壓段保持靜止，然而由于矢量ψ2以恒定角速度W1轉動，ψ1和(hé)ψ2間的(de)夾角δ就出現了，因此電壓斬波是引起高(gāo)頻轉距脈動的(de)主要原因，頻率與輸出電壓矩脈沖頻率相(xiàng)同。這是由于PWM自身固有(yǒu)的(de)，實際上(shàng)高(gāo)頻轉矩脈動是很難消除的(de)，并疊加于低頻轉矩脈動之上(shàng)。爲消除系統的(de)低頻轉矩脈動可(kě)從以下兩種方式開(kāi)展工(gōng)作。
　　1.1在電壓脈沖中間點的(de)時刻，矢量ψ1、ψ2間的(de)夾角δ在穩态運行(xíng)時對于所有(yǒu)脈沖應保持恒定，消除由δ變化而産生的(de)對低頻轉矩（頻率爲6F1）的(de)影響，在空載情況下δ=0盡管ψ1的(de)幅值變化，低頻轉矩脈動仍然将被完全消除。
　　1.2在恒定的(de)負載時（δ-cost≠0）僅僅ψ1幅值的(de)變化引起低頻轉矩脈動，而負載引起ψ2幅值的(de)變化可(kě)以忽略，因此必須獲得一個(gè)比較接近于圓周的(de)ψ1矢量軌迹。圓周PWM是利用(yòng)空載矢量ψ1的(de)空間位置來确定電壓脈沖的(de)中間點，即晶閘管導通段及零電壓段的(de)合理(lǐ)組合，可(kě)以産生幅值變化可(kě)以忽略不計(jì)的(de)ψ1，此原理(lǐ)如(rú)圖1所示，ψ1停止時刻（即零電壓段）用(yòng)圓點标出，确定電壓脈沖位置使它們對稱，如(rú)圖中各橫坐标的(de)中間點，脈沖寬度（即持續時間）與橫坐标長度相(xiàng)對應，所要求的(de)輸出電壓來确定。自然電壓波形周期由ψ1矢量沿多邊形轉一周所需的(de)時間确定。采用(yòng)此方法在保持輸出電壓由零到(dào)最大(dà)值可(kě)變的(de)同時，可(kě)有(yǒu)效的(de)消除低頻轉矩脈動。http://www.ucani.net