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變頻器的載波頻率分析

發(fā)布時間：2015-01-30 08:58:10瀏覽次數(shù)：1847
     變頻器大多是采用PWM調(diào)制的形式進(jìn)行變頻器的。也就是說變頻器輸出的電壓其實(shí)是一系列的脈沖，脈沖的寬度和間隔均不相等。其大小就取決于調(diào)制波和載波的交點(diǎn)，也就是開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越高，一個周期內(nèi)脈沖的個數(shù)就越多，電流波形的平滑性就越好，但是對其它設(shè)備的干擾也越大。載波頻率越低或者設(shè)置的不好，電機(jī)就會發(fā)出難聽的噪音。
     通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的噪音最小，波形的平滑型最好，同時干擾也是最小的。
1低壓變頻器概述
     對電壓≤500V的變頻器，當(dāng)今幾乎都采用交—直—交的主電路，其控制方式亦選用正弦脈寬調(diào)制即SPWM,它的載波頻率是可調(diào)的，一般從1-15kHz，可方便地進(jìn)行人為選用。但在實(shí)際使用中不少用戶只是按照變頻器制造單位原有的設(shè)定值，并沒有根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，因而造成因載波頻率值選擇不當(dāng)，而影響正確，感覺的有效工作狀態(tài)，因此在變頻器使用過程中如何來正確選擇變頻器的載波頻率值亦是重要的事。本文就此提供應(yīng)該從以下諸方面來考慮，并正確選擇載波頻率值的依據(jù)。
2 載波頻率與功率損耗
    功率模塊IGBT的功率損耗與載波頻率有關(guān)，且隨載波頻率的提高、功率損耗增大，這樣一則使效率下降，二則是功率模塊發(fā)熱增加，對運(yùn)行是不利的，當(dāng)然變頻器的工作電壓越高，影響功率損耗亦加大。對
3 載波頻率與環(huán)境溫度
    當(dāng)變頻器在使用時載波頻率要求較高，而且環(huán)境溫度亦較高的情況下，對功率模塊是非常不利的，這時對不同功率的變頻器隨著使用的載波頻率的高低及環(huán)境溫度的大小，對變頻器的允許恒輸出電流要適當(dāng)?shù)慕档停源_保功率模塊IGBT安全、可靠、長期地運(yùn)行。
4 載波頻率與電動機(jī)功率
    電動機(jī)功率大的，相對選用載波頻率要低些，目的是減少干擾(對其它設(shè)備使用的影響)，一般都遵守這個原則，但不同制造廠具體值亦不同的。
例，日本有下列關(guān)系供參考
載波頻率 15kHz 10kHz 5kHz
電動機(jī)頻率 ≤30kW 37-100kW 185-300kW
例，芬蘭VACON
載波頻率 1-16kHz 1-6kHz
電動機(jī)功率 ≤90kW 110-1500kW
例，深圳安圣(原華為)
載波頻率 6kHz 3kHz 1kHz
電動機(jī)功率 5.5-22kW 30-55kW 75-200kW
例，成都佳靈公司JP6C-T9系列
載波頻率 2-6kHz 2-4kHz
電動機(jī)功率 0.75-55kW 75-630kW
5 載波頻率與變頻器的二次出線(U，V，W)長度
載波頻率 15kHz 10kHz 5kHz 1kHz
線路長度 <50M >50-100M >100-150M >150-200M
6 載波頻率對變頻器輸出二次電流的波形
    眾所周知變頻器的逆變(DC/AC變換)部分是由IGBT通過正弦脈寬調(diào)制SPWM后,產(chǎn)生呈正弦波的電流波形,那么載波頻率的大小、直接影響電流波形的好壞程度,以及干擾的大小,而且載波頻率的大小是較為敏感和直接的,所以在運(yùn)行過程中首先要正確選擇載波頻率值的大小后,然后再考慮附加各種抑制諧波裝置,例AC電抗器、DC電抗器、濾波器、另序電抗器，及安裝布線、接地等措施，這樣處理是較合理的、更有效的，切不可本未倒置來處理問題，這是很重要的原則。當(dāng)載波頻率高時，電流波形正弦性好，而且平滑。這樣諧波就小，干擾就小，反之就差，當(dāng)載波頻率過低時，電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩減小，損耗加大，溫度增高的缺點(diǎn)，反之載波頻率過高時，變頻器自身損耗加大，IGBT溫度上升，同時輸出電壓的變化率dv/dt增大，對電動機(jī)絕緣影響較大。
7 載波頻率對電動機(jī)的噪音
     電動機(jī)的噪音來自通風(fēng)躁音、電磁噪音、機(jī)械噪音三個方面，對通風(fēng)和機(jī)械噪音在此估且不談，只就使用變頻器后對電磁噪音問題作下分析。
變頻器的輸出電壓、電流中含有一定分量的高次諧波，使電動機(jī)氣隙的高次諧波磁通增加，所以噪聲變大。其特征為:
(1)由于變頻器輸出的較低的高次諧波分量與轉(zhuǎn)子固有頻率的諧振，使轉(zhuǎn)子固有頻率附近的噪音增大。
(2)由于變頻器輸出的高次諧波使鐵心、機(jī)殼、軸承座等的諧振，在固有頻率附近的噪音增大。
(3)噪音與載波頻率大小有直接關(guān)系，當(dāng)載波頻率高時相對噪音就小。
(4)經(jīng)測試得到當(dāng)電動機(jī)在變頻運(yùn)行時，比在工頻50Hz運(yùn)行時，噪聲只大2dB可見影響不很大，其絕對值約在70dB附近。
(5)采用變頻電動機(jī)能降低相同運(yùn)行參數(shù)時的噪音6-10dB。
8 載波頻率與電動機(jī)的振動
    電動機(jī)的振動原因可分為電磁與機(jī)械兩種，這里估且不談機(jī)械原因，只就電磁原因作下分析:
(1) 由于較低次的高次諧波分量與轉(zhuǎn)子的諧振，其固有頻率附近的振動分量增加。
(2) 由于高次諧波產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩的影響發(fā)生振動。
(3) 當(dāng)采用變頻器后在相同50Hz頻率下工作時振動略大，尤其當(dāng)工作頻率20Hz時振動將增至全振幅為7um，工作頻率80Hz-120Hz全振幅將增為6um，且電動機(jī)極數(shù)小的較極數(shù)大的略為嚴(yán)重。
(4) 可采用輸出AC電抗器減振動。
(5) 將v/f給定小些。
(6) 采用變頻電動機(jī)可降低振動。
(7) 對高速磨床等可采用低噪聲、低振動的專用電動機(jī)。
9 載波頻率與電動機(jī)的發(fā)熱
    由于逆變器采用正弦脈寬調(diào)制后其電流輸出波形是近似正弦波，諧波分量見圖3，必定有一定分量的各次的高次諧波產(chǎn)生，以及波形不夠光滑有毛刺出現(xiàn)，庶必造成輸出電流的增加可達(dá)10%，而發(fā)熱與電流I2成正比，因此在相同工作頻率相同負(fù)荷下，使用變頻器后電動機(jī)的溫升略高些，為盡可能減少這部分損耗，要盡可能使載波頻率值大些，對運(yùn)行有利，或選用變頻電動機(jī)，具體解決辦法是:
(1) 盡可能選用較高載波頻率，以改善輸出電流波形。
(2) 加裝輸入、輸出AC電抗器或有源濾波器等。
(3) 選用變頻電動機(jī)。
(4) 變頻器的工作頻率要低于20Hz，而生產(chǎn)設(shè)備就要低速，而且有較大的負(fù)荷運(yùn)行時，電動機(jī)輸出軸后再加裝一級減速器，以利工作頻率(變頻器)提高，且增大輸出轉(zhuǎn)矩，以利統(tǒng)一解決負(fù)荷的要求、變頻器的許可，以及電動機(jī)的振動、噪音、發(fā)熱、工作頻率、載波頻率幾方面統(tǒng)籌的合理解決。
10 載波頻率與變頻器輸入三相電流的不平衡度
    變頻器的輸入部分是6脈沖三相橋式二極管整流電路即AC/DC變換，由于二極管是非線性元件，在實(shí)際裝配時，每個元件的內(nèi)阻抗不會一致，造成三相不匹配，又因輸入電流是非正弦性，這樣就造成輸入變頻器的三相電流的不平衡產(chǎn)生原因，尤其當(dāng)輸入電壓就存在較大的不平衡，例:有3-5%的差值，這樣三相輸入電流最大可能出現(xiàn)有10-20%的差別，這是經(jīng)常有可能出現(xiàn)的，為改善輸入電流三相的不平衡度，盡可能減少起見，通常采用以下方法:
(1) 改善電網(wǎng)品質(zhì)使它不平衡度盡可能小些。
(2) 選用高檔次優(yōu)質(zhì)品牌的變頻器。
(3) 盡可能提高載波頻率值。
(4) 調(diào)換R、S、T三相的相序(變頻器輸入電壓相位不需理相)
(5) 選用變頻電動機(jī)
通過以上方法使三相不平衡度盡可能減小為原則，要絕對平衡難以做到的。但變頻器輸出三相電流基本是平衡的，這里還要注意的測量變頻器的輸入或輸出電壓、電流時，最好選用一只，只反映基波(50Hz)的帶有濾波的電壓、電流表、鉗形電流表萬能或表為宜，否則測量值比實(shí)際值出現(xiàn)偏大的現(xiàn)象，這點(diǎn)亦要注意的。
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