1 概述

由變頻器構成的交流調速系統普遍存在的問題是：

1)系統運行在低頻區域時，其性能不夠理想，主要表現在低頻啟動時啟動轉矩小，造成系統啟動困難甚至無法啟動;

2)由于變頻器的非線性產生的高次諧波，引起電動機的轉矩脈動及電動機發熱，并且電動機運行噪聲也加大;

3)低頻穩態運行時，受電網電壓波動或系統負載的變化及變頻器輸出電壓波形的畸變，將造成電動機的抖動;

4)當變頻器距電動機距離較遠時，以及高次諧波對控制電路的干擾，極易引起電動機的爬行。

由于上述各種現象，嚴重降低由變頻器構成的調速系統的調速特性和動態品質指標，本文對系統的低頻機械特性和變頻器的低頻特性進行分析，提出采取的相應措施，以使系統的低頻運行特性得以改善。

2 變頻器低頻機械特性

2.1 低頻啟動特性

改變異步電動機定子頻率f1，即可平滑地調節電動機的同步轉速，但是隨著f1 的變化，電動機的機械特性也將發生改變，尤其是在低頻區域，根據異步電動機的最大轉矩公式

2.2 低頻穩態特性

電動機穩態運行時的轉矩公式如下。

在角頻率棕1為額定值時，R1可以忽略，而在低頻時，R1已不能忽略，故在低頻區時由于R1上的壓降所占的比重增加，將無法維持電磁轉矩的恒定，特別是在電網電壓變化和負載變化時，系統將出現抖動和爬行。

3 變頻器調速系統低頻特性

3.1 諧波分析

由變頻器構成的調速系統，由于變頻器的非線性，電動機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，使電動機損耗和感抗增大，減少了cos漬，從而影響輸出轉矩，并將產生6倍于基波頻率的脈動轉矩。

以電流波形中的5 次、7 次諧波來分析，在三相電動機定子電流中的5 次諧波頻率為f5=5f1(f1為基波電流頻率)，它在電動機氣隙中產生空間負序的磁勢和磁場，這個磁場的轉速n51 為基波電流所產生磁場的轉速n11 的5 倍，并且沿著與基波磁場相反的方向旋轉，由于電動機轉速一定，并假設接近n11，這樣由5 次諧波磁勢在轉子內感應出6倍于基波頻率的轉子電流，此電流與氣隙基波磁勢的合成作用產生6 倍于基波頻率的脈動轉矩。

7次諧波所產生的磁場與基波同相序，但它所產生的旋轉磁場轉速7 倍于基波旋轉磁場的轉速，故相應轉子電流諧波與氣隙主磁場的相對轉速也是6 倍于基波頻率，也產生一個6 倍于基波頻率的脈動轉矩。

以上兩個6 倍于基波頻率的脈動轉矩一起使電動機的電磁轉矩發生脈動，雖然其平均值為零，但脈動轉矩使電動機轉速不均勻，在低頻運行時影響最大。

3.2 準方波方式下脈動轉矩的產生

分別設鬃1、鬃2為定子磁鏈及轉子磁鏈的空間矢量，在穩態準方波(QSW)運行方式時(橋中晶閘管用180毅電角脈沖觸發)，鬃1 在輸出周期內沿著正六邊形的周邊運動，鬃2 沿著與六邊形同心的圓周運動。在準方波運行方式下鬃1和鬃2運動是連續的，但它們有重大的區別，當矢量鬃2以恒定定子電壓角速度棕1 旋轉時，矢量鬃1以恒定的線速度沿正六邊形周邊運行，矢量鬃1 線速度恒定導致其角速度的變化，進而引起鬃1和鬃2的夾角啄變化，除此，當鬃1 沿著六角形軌跡移動時其幅值在一定程度上也有變化。當電動機空載時，由于處于穩態鬃1與鬃2的夾角啄與轉矩T在棕1t=0、仔/6、仔/3時為零，而當棕1t屹0、仔/6、仔/3 時，啄不為零，它與上面提到的鬃1幅值變化一起引起低頻轉矩脈動，其頻率為定子電壓基波的6倍，當電動機帶負載時對應于一個恒定的啄均值，低頻轉矩脈動將疊加于恒定轉矩均值之上。

4 系統低頻特性改善措施

4.1 啟動轉矩的提升

由于系統在低頻時受R1上的壓降影響，使系統的啟動轉矩隨棕1 下降而減小，為此變頻器設有轉矩提升功能，該功能可以調整低頻區域電動機的力矩，使之與負荷配合，增大啟動轉矩。可選擇自動轉矩提升或手動轉矩提升模式，其原理是提升定子電壓也就相應提高了啟動轉矩，但提升電壓設置過高，將導致電流過大引起電動機飽和、過熱或過電流跳閘。如1336PLUS系列變頻器的轉矩提升功能，可自動調整提升電壓，以產生所需的電壓，可根據預定轉矩所需的電流來選擇提升電壓，轉矩提升在控制電流的同時使電動機處于最佳運行狀態，在選擇手動轉矩提升時，要結合實際情況來設定轉矩提升值。

4.2 改善低頻轉矩脈動

變頻器構成的交流調速系統的低頻轉矩脈動直接影響系統動態特性，不論是變頻器的生產廠家，還是系統集成的工程技術人員，都在致力于改善低頻區脈動這一技術問題。如采用磁通控制方式，它不是按照調制正弦波和載波的交點來控制開關器件GTR 的導通和關斷，而是始終使異步電動機的磁通接近正弦波，旋轉磁場的軌跡是圓形，以此來決定GTR的導通規律。在很低的頻率下，保證異步電動機在低速時旋轉均勻，從而擴大了變頻調速范圍，抑制異步電動機的振動和噪聲。其圓形旋轉磁場的實現，是通過檢測磁通使控制環節隨時判斷實際磁通是否超過誤差范圍，來改變GTR的工作模式，從而保證旋轉磁場的軌跡呈圓形，以減少轉矩脈動。

4.3 圓周PWM方法降低轉矩脈動

“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非常接近于圓周的多邊形運動，其以降低電動機脈動轉矩為目的來確定電壓脈沖的寬度和位置。三相逆變器為全波橋式結構，如其運行在這樣一種方式下，當交流輸出端(a、b、c)之一在任何時刻接通直流母線(+、-)之一時，剩下的兩個交流輸出端，應同時接到另一個直流母線上，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，這就導致定子電壓U1的空間矢量有6 個位置，這6 個位置如圖1(b)所示，圖1(b)中6 種開/關狀態對應著U1的六種位置，圖中粗線位置表示開關1、3、6處于開的位置，投影所產生的瞬時相電壓為

PWM 形式是一種斬波準方波調制，負載上的相電壓由矩形段和零電壓段(U1=0 時)組成，在每個電壓脈沖時刻，矢量鬃1 以恒定線速度移動，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轉動，鬃1 和鬃2間的夾角啄就出現了，因此電壓斬波是引起高頻轉矩脈動的主要原因，其頻率與輸出電壓脈沖頻率相同。這是PWM 自身所固有的，實際上高頻轉矩脈動是很難消除的，它總是疊加于低頻轉矩脈動之上。為消除系統的低頻轉矩脈動可從以下兩種方式開展工作。

在電壓脈沖中間點的時刻，矢量鬃1、鬃2間的夾角啄在穩態運行時對于所有脈沖應保持恒定，消除由啄變化而產生的對低頻轉矩(頻率為6f1)的影響，在空載情況下啄=0，盡管鬃1 的幅值變化，低頻轉矩脈動仍然將被完全消除。

在恒定負載時，僅僅鬃1幅值的變化就會引起低頻轉矩脈動，而負載引起鬃2幅值的變化可以忽略，因此必須獲得一個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的空間位置來確定電壓脈沖的中間點，即晶閘管導通段及零電壓段的合理組合，可以產生幅值變化可忽略不計的鬃1，此原理如圖1所示，鬃1停止時刻(即零電壓段)用黑線標出，確定電壓脈沖位置使它們對稱，如圖中A、B、C 各橫坐標(即B、C 旋轉后)的中間點，脈沖寬度(即持續時間)與坐標長度相對應，所要求的輸出電壓波形周期由矢量鬃1沿多邊形轉一周所需的時間確定。采用此方法在保持輸出電壓由零到最大值可變的同時，可有效地消除低頻轉矩脈動。