變頻器低頻轉矩不足研究

王 珺

變頻器低頻轉矩不足研究

王 珺

王 珺

南通醋酸纖維有限公司

王珺，1983年03月26日，男，本科。

變頻器在現代工業中運用越來越廣泛，應用也是多種多樣，本文講述了變頻器V/F控制方式，和矢量控制方式的運用環境，以及對平時變頻器運用的一些誤區。

前言

目前變頻器越來越多的運用于工業馬達控制中，可能大多數人對于變頻器的最主要作用的理解是：變頻器是調速用的。的確，變頻器主要就是將原本不易調速的三相交流電動機通過改變其工作頻率，來達到調速的效果。作為變頻器產生之初的目的就是體現在“變頻”兩字上，頻率改變就改變了電機的轉速，調速效果就達到了。沒錯，現在很多人在設計使用變頻器時，就是利用了這點，不過卻有時會走進一個誤區，純粹當成了一個調速器在使用，這是不恰當的。

現狀理論分析

在變頻器低頻運行時，會遇到一些實際問題。

某包裝車間移栽電機變頻器出現的高度切換到低速（8Hz）時的過電流報警甚至故障現象。

某加工車間，粉碎機系統中，常年維持在低頻運行（20Hz多一點）經常也會發生變頻器過載跳停故障。

分析：1. 低頻時電機能提供的轉矩比較低，所以才會產生過載，因此跳停。

通過觀察了上面兩種情況的變頻器設置，發現都是處于V/F控制方式的。

V/F控制方式：也成為恒磁通變速調速方式，是目前變頻器最基本的控制方式， V/F控制就是保證定子電壓（V）跟頻率（F）成正比的控制這樣可以使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現象的產生。這屬于恒轉矩調速方式，不過這僅僅是一種近似的恒磁通控制，在低頻時，它的磁通不能很穩定保持常數不變，這到底是為什么呢？

電機的定子電壓

U = E + I*R ——① （I為電流， R為電子電阻，E為感應電勢）

可以看出， U，I不變時， E也不變。

E = k*f*X， —— ②（k：常數， f： 頻率，X：磁通），

所以當f小于50Hz時，由于I*R很小，

U≈E= k*f*X ——③

X=U/F*1/k

所以U/f=E/f不變時，磁通（X）為常數。

又因為對于電機來說，T=K*I*X，（T：轉矩，K：常數，I：電流，X：磁通）因此轉矩T和電流成正比. 這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載（轉矩）能力， 并稱為恒轉矩調速（額定電流不變--＞最大轉矩不變）

所以50Hz以下的V/F控制可以看成恒轉矩，既然是恒轉矩，為何在低頻時候轉矩會變低？關鍵就在于非低頻時候，①式中I*R因為較小，被我們忽略掉了。可是在低頻時由于U較低，相對于E來說，IR就變大了，不能忽略不計。按照這樣計算得：

T=（UI- I2 R）/f

因此f越低 T也就相對越低，也就是說低頻時，轉矩越低。

2. 另一個原因來自變頻器產生的諧波。由于一般變頻器調速的原理是通過將原來工頻輸入的恒壓電整流成直流電，再將直流電通過IGBT逆變成不用頻率的交流電，因此逆變后的交流電不是原先平滑的正弦曲線，而是充滿各種諧波的類似正弦電壓。高次諧波的角頻率較高，造成對應的電機阻抗升高，以及相應的損耗也增加了。在高次諧波電流的影響下，會在電機的鐵心中產生渦流和磁滯效應，導致電動機運行效率下降，功率因數降低。功率因數受到影響降低了，轉矩也就受到了影響。還有，不同次數的諧波和基波產生的磁場方向可能是不同，如，5次相反，7次相同，等等。逆向的磁場試圖讓電機逆向旋轉，這樣也消耗了電機輸出的功率。N次諧波的頻率是基波（也就是一次波）的N倍，其產生的磁場轉速也是基波產生的磁場轉速的N倍，如果是反向諧波，會感應出N+1倍于基波頻率的轉子電流，產生N+1倍于基波頻率的脈動轉矩。脈動轉矩使電機轉動不均勻，特別在低頻時影響大。

解決辦法和思考

現在有三種解決問題的辦法

轉矩提升

變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降（①式中的IR）其實也就是在低頻時提高V/F的比例值。現在的變頻器基本都帶有轉矩提升的功能。

選用矢量控制方式

矢量控制方式就是相當于將交流電機調速通過一系列變換，等效為直流的調速特性。電機運行時的電流包括兩個部分，勵磁電流分量和轉矩電流分量，矢量控制方式模仿直流電機的控制原理，對其進行分配，確定產生轉矩電流分量和勵磁分量的值，對兩個分量的大小，幅值，相位分別控制來控制定子電流矢量，矢量控制可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產出大的轉矩。矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，有利于分別設計兩者的調節器，以實現對交流電機的高性能調速。矢量控制方式分為有速度傳感器的矢量控制和無速度傳感器的矢量控制等。有的變頻器的矢量控制能夠在1HZ時輸出的轉矩達到50HZ時輸出的轉矩。在日常生活中，攪拌器，電梯，傳送帶大量使用這種控制方式。

對于代替V/F控制的，可以使用無速度傳感器的矢量控制。變頻器選用磁通矢量控制可以提供大的啟動轉矩和充足的低速轉矩。

改變傳動比

改變電機和負載之間的減速箱或者皮帶輪的傳動比，讓電機處于較高頻率運行就能得到電機原本就具有的充足的轉矩。這也是最行之有效，和最根本的解決問題的方法。

另外，做到這些的同時，都要注意高次諧波的消除。對于大量使用變頻器的電氣設備中，電網必然容易被高次諧波污染，可以通過加裝有源濾波器來過濾高次諧波。

實驗部分

對于第一種問題中所用的電機變頻器（西門子CU240 DP）我們進行了設定，將控制方式改成了無速度傳感器的矢量控制，并進行了靜態自整定。

步驟如下：

（1）將參數P1900調整到2此時出現A07991報警。

（2）輸入一個啟動命令給變頻器，此時變頻器啟動，向電機注入電流，這時候會聽到電磁的噪聲。該過程持續時間因電機功率不同而不同，功率越大時間越長。

（3）如沒出現故障，變頻器停止，A07991報警消失，P1900被復位為0表示靜態識別過程結束。

（4）將P0971設置為1，保存靜態參數。

對于第二種文中的電機變頻器（AB Powerflex700）進行了如上設定，將控制方式改成了無速度傳感器的矢量控制，并進行了靜態自整定。

對于常用到變頻器AB PoweFlex700變頻器，設置無速度傳感器矢量控制的方法如下。

（1）根據電動機的規格對電機參數進行設置（參數40，41，42，43，44，45）

（2）更改53#參數［轉矩產生模式］ 設置為0---無速度傳感器的矢量控制。

（3）進行自整定。

61#參數［自整定］設置為1，執行非旋轉電動機定子阻抗測試的臨時指令（靜態自整定），然后給一個啟動信號，靜態自整定開始。其功能為盡可能使有效模式下［IR電壓降］的自動設置達到最佳值。測試完成后該參數會返回0“準備”。此項設定不管電機有無連接負載，都需要設定。

61#參數［自整定］設置為2，然后給一個啟動信號。進行動態自整定，其功能為盡可能使［磁通電流基準值］的自動設置達到最佳。設置完成后，該參數范圍0“準備”。此項設定時，不能電機不能連接負載。

之后讓設備恢復正常生產狀態，經過一定時間的觀察，統計試驗結果。

試驗結果

第一種問題中移栽電機跳停的次數明顯減少，幾乎不再出現這樣的問題。

第二種問題中的粉碎機跳停故障發生次數也減少了，但是仍有發生。

結果與討論

對于修改設置后仍有故障發生的原因，其原因有二：

本身負載的情況的確不穩定，因為存在堵料情況，這種情況的確應該跳停，不然會燒壞電機；

機械部分的設計可能也存在缺陷，使原本和早期一樣配置的電機和變頻器帶動不了。

對于這類通過更改變頻器參數已經無法解決的問題，最終還是應使用最符合設計規范的方法，改變電機的皮帶輪的傳動比，使電機處于接近50Hz的頻率下運行，再進行觀察。并對連接電機的機械部分進行觀察改進。

結語

解決此類問題兩種方法：1.通過變頻器設置來提高低頻時的電機轉矩；2.直接提高變頻器的正常工作頻率，使負載在較高頻率下運行。

通過理論可以計算出高頻率的帶載效果更好，這也是所有變頻器使用手冊上都會提到的，盡量工作頻率設計在60％工頻以上的原因。對于特殊環境下必須在低頻下運行的變頻器，我們只可以通過設置矢量控制方式來提高轉矩。

變頻器最適用于負荷平穩的負載，對負載變化很大的不太適應，由于轉矩沖擊太大，產生的電流的沖擊是很大的，在啟動時既使用了轉矩提升補償，也無濟于事。啟動相當困難，很容易自動跳脫。要解決這個問題，只有選擇大容量的變頻器，這又是一種浪費。

在對變頻器的運用上，不要走入“它僅僅是個調速器”的誤區。變頻器合理的工作頻率不宜過慢或者過快。低頻運行時，轉矩輸出不夠，輸出功率也不夠，且較易發熱，損壞電機。過高頻率運行時，容易增加電機的磨損，震動，溫升，維修量增加。一般建議變頻器帶動電機正常工作頻率在30Hz至50Hz。最好選用專用的變頻電機。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.078