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[導(dǎo)讀]1 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:1)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);2)由于變頻

1 概述

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

1)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);

2)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)矩脈動(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;

3)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畸變,將造成電動(dòng)機(jī)的抖動(dòng);

4)當(dāng)變頻器距電動(dòng)機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí),以及高次諧波對(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,提出采取的相應(yīng)措施,以使系統(tǒng)的低頻運(yùn)行特性得以改善。

2 變頻器低頻機(jī)械特性

2.1 低頻啟動(dòng)特性

改變異步電動(dòng)機(jī)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)矩公式

 

 

2.2 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)矩公式如下。

 

 

在角頻率棕1為額定值時(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)法維持電磁轉(zhuǎn)矩的恒定,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。

3 變頻器調(diào)速系統(tǒng)低頻特性

3.1 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漬,從而影響輸出轉(zhuǎn)矩,并將產(chǎn)生6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

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)相反的方向旋轉(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)矩。

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)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)矩。

以上兩個(gè)6 倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩一起使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動(dòng),雖然其平均值為零,但脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻,在低頻運(yùn)行時(shí)影響最大。

3.2 準(zhǔn)方波方式下脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

分別設(shè)鬃1、鬃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180毅電角脈沖觸發(fā)),鬃1 在輸出周期內(nèi)沿著正六邊形的周邊運(yùn)動(dòng),鬃2 沿著與六邊形同心的圓周運(yùn)動(dòng)。在準(zhǔn)方波運(yùn)行方式下鬃1和鬃2運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,但它們有重大的區(qū)別,當(dāng)矢量鬃2以恒定定子電壓角速度棕1 旋轉(zhuǎn)時(shí),矢量鬃1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運(yùn)行,矢量鬃1 線速度恒定導(dǎo)致其角速度的變化,進(jìn)而引起鬃1和鬃2的夾角啄變化,除此,當(dāng)鬃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)鬃1與鬃2的夾角啄與轉(zhuǎn)矩T在棕1t=0、仔/6、仔/3時(shí)為零,而當(dāng)棕1t屹0、仔/6、仔/3 時(shí),啄不為零,它與上面提到的鬃1幅值變化一起引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動(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)恒定的啄均值,低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將疊加于恒定轉(zhuǎn)矩均值之上。

4 系統(tǒng)低頻特性改善措施

4.1 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的提升

由于系統(tǒng)在低頻時(shí)受R1上的壓降影響,使系統(tǒng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨棕1 下降而減小,為此變頻器設(shè)有轉(zhuǎn)矩提升功能,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)矩??蛇x擇自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升或手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升模式,其原理是提升定子電壓也就相應(yīng)提高了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,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)矩提升功能,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)矩所需的電流來(lái)選擇提升電壓,轉(zhuǎn)矩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)矩提升時(shí),要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升值。

4.2 改善低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)直接影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,不論是變頻器的生產(chǎn)廠家,還是系統(tǒng)集成的工程技術(shù)人員,都在致力于改善低頻區(qū)脈動(dòng)這一技術(shù)問(wèn)題。如采用磁通控制方式,它不是按照調(diào)制正弦波和載波的交點(diǎn)來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件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,以此來(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)際磁通是否超過(guò)誤差范圍,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)矩脈動(dòng)。

4.3 圓周PWM方法降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

“圓周”的含義是指定子磁鏈空間矢量鬃1 在高斯平面中沿著一個(gè)非常接近于圓周的多邊形運(yùn)動(dòng),其以降低電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩為目的來(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)刻接通直流母線(+、-)之一時(shí),剩下的兩個(gè)交流輸出端,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6 種,這就導(dǎo)致定子電壓U1的空間矢量有6 個(gè)位置,這6 個(gè)位置如圖1(b)所示,圖1(b)中6 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)相電壓為

 

 

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,矢量鬃1 以恒定線速度移動(dòng),而在零電壓段保持靜止,然而由于矢量鬃2 以恒定角速度棕1轉(zhuǎn)動(dòng),鬃1 和鬃2間的夾角啄就出現(xiàn)了,因此電壓斬波是引起高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因,其頻率與輸出電壓脈沖頻率相同。這是PWM 自身所固有的,實(shí)際上高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是很難消除的,它總是疊加于低頻轉(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。

在電壓脈沖中間點(diǎn)的時(shí)刻,矢量鬃1、鬃2間的夾角啄在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)于所有脈沖應(yīng)保持恒定,消除由啄變化而產(chǎn)生的對(duì)低頻轉(zhuǎn)矩(頻率為6f1)的影響,在空載情況下啄=0,盡管鬃1 的幅值變化,低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然將被完全消除。

在恒定負(fù)載時(shí),僅僅鬃1幅值的變化就會(huì)引起低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),而負(fù)載引起鬃2幅值的變化可以忽略,因此必須獲得一個(gè)比較接近于圓周的鬃1矢量軌跡。

圓周PWM 是利用空載矢量鬃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)生幅值變化可忽略不計(jì)的鬃1,此原理如圖1所示,鬃1停止時(shí)刻(即零電壓段)用黑線標(biāo)出,確定電壓脈沖位置使它們對(duì)稱,如圖中A、B、C 各橫坐標(biāo)(即B、C 旋轉(zhuǎn)后)的中間點(diǎn),脈沖寬度(即持續(xù)時(shí)間)與坐標(biāo)長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng),所要求的輸出電壓波形周期由矢量鬃1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),可有效地消除低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

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