一、概述

　　由變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)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。

　　二、變頻器低頻機(jī)械特性

　　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(jiàn)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、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。

　　三、變頻器調(diào)速系統(tǒng)低頻特性

　　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cos，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)；諧波；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。

　　2、準(zhǔn)方波方式下脈動(dòng)轉(zhuǎn)距的產(chǎn)生

　　分別設(shè)1、2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)）1在輸出周期內(nèi)沿著正六邊形的周邊運(yùn)動(dòng)。2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1和2運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，但它們且有重大的區(qū)別，當(dāng)矢量2以恒定定子電壓角速度W1旋轉(zhuǎn)時(shí)，矢量1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運(yùn)行，矢量1線速度恒定導(dǎo)致其角速度的變化，進(jìn)而引起1和2的夾角變化，除此，當(dāng)1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)1與2的夾角與轉(zhuǎn)距T在W1t=0、/6、/3時(shí)為零，而當(dāng)W10、/6、/3時(shí)，不為零，它與上面提到的1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)恒定的均值，低頻轉(zhuǎn)距脈動(dòng)將疊加于恒定轉(zhuǎn)距均值之上。

　　四、系統(tǒng)低頻特性改善措施

　　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。可選擇自動(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(guò)高，將導(dǎo)致電流過(guò)大引起電動(dòng)機(jī)飽和、過(guò)熱或過(guò)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。

　　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(wèn)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(guò)檢測(cè)磁通使控制環(huán)節(jié)隨時(shí)判斷實(shí)際磁通超過(guò)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)。

　　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1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(kāi)/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(kāi)關(guān)1、3、6處于開(kāi)的位置，投影所產(chǎn)生的瞬時(shí)相電壓如下：

　　Va=Vb=1/3VdcVc=-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(kāi)/關(guān)狀態(tài)外，還有使開(kāi)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)榱悖瑢⑦@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1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2以恒定角速度W1轉(zhuǎn)動(dòng)，1和2間的夾角就出現(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(kāi)展工作。

　　1.1在電壓脈沖中間點(diǎn)的時(shí)刻，矢量1、2間的夾角在穩(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=0盡管1的幅值變化，低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然將被完全消除。

　　1.2在恒定的負(fù)載時(shí)（-cost0）僅僅1幅值的變化引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而負(fù)載引起2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1矢量軌跡。圓周PWM是利用空載矢量1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1，此原理如圖1所示，1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1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)。