王 珺

變頻器低頻轉(zhuǎn)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(xiàn)代工業(yè)中運(yùn)用越來越廣泛，應(yīng)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(yùn)用環(huán)境，以及對平時變頻器運(yùn)用的一些誤區(qū)。

前言

目前變頻器越來越多的運(yùn)用于工業(yè)馬達(dá)控制中，可能大多數(shù)人對于變頻器的最主要作用的理解是：變頻器是調(diào)速用的。的確，變頻器主要就是將原本不易調(diào)速的三相交流電動機(jī)通過改變其工作頻率，來達(dá)到調(diào)速的效果。作為變頻器產(chǎn)生之初的目的就是體現(xiàn)在“變頻”兩字上，頻率改變就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)速效果就達(dá)到了。沒錯，現(xiàn)在很多人在設(shè)計(jì)使用變頻器時，就是利用了這點(diǎn)，不過卻有時會走進(jìn)一個誤區(qū)，純粹當(dāng)成了一個調(diào)速器在使用，這是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

現(xiàn)狀理論分析

在變頻器低頻運(yùn)行時，會遇到一些實(shí)際問題。

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

某加工車間，粉碎機(jī)系統(tǒng)中，常年維持在低頻運(yùn)行（20Hz多一點(diǎn)）經(jīng)常也會發(fā)生變頻器過載跳停故障。

分析：1. 低頻時電機(jī)能提供的轉(zhuǎn)矩比較低，所以才會產(chǎn)生過載，因此跳停。

通過觀察了上面兩種情況的變頻器設(shè)置，發(fā)現(xiàn)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(diào)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(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。這屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)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(wěn)定保持常數(shù)不變，這到底是為什么呢？

電機(jī)的定子電壓

U = E + I*R ——① （I為電流， R為電子電阻，E為感應(yīng)電勢）

可以看出， U，I不變時， E也不變。

E = k*f*X， —— ②（k：常數(shù)， f： 頻率，X：磁通），

所以當(dāng)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(shù)。

又因?yàn)閷τ陔姍C(jī)來說，T=K*I*X，（T：轉(zhuǎn)矩，K：常數(shù)，I：電流，X：磁通）因此轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩）能力， 并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（額定電流不變--＞最大轉(zhuǎn)矩不變）

所以50Hz以下的V/F控制可以看成恒轉(zhuǎn)矩，既然是恒轉(zhuǎn)矩，為何在低頻時候轉(zhuǎn)矩會變低？關(guān)鍵就在于非低頻時候，①式中I*R因?yàn)檩^小，被我們忽略掉了?？墒窃诘皖l時由于U較低，相對于E來說，IR就變大了，不能忽略不計(jì)。按照這樣計(jì)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(zhuǎn)矩越低。

2. 另一個原因來自變頻器產(chǎn)生的諧波。由于一般變頻器調(diào)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(yīng)的電機(jī)阻抗升高，以及相應(yīng)的損耗也增加了。在高次諧波電流的影響下，會在電機(jī)的鐵心中產(chǎn)生渦流和磁滯效應(yīng)，導(dǎo)致電動機(jī)運(yùn)行效率下降，功率因數(shù)降低。功率因數(shù)受到影響降低了，轉(zhuǎn)矩也就受到了影響。還有，不同次數(shù)的諧波和基波產(chǎn)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(jī)逆向旋轉(zhuǎn)，這樣也消耗了電機(jī)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(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)速也是基波產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)速的N倍，如果是反向諧波，會感應(yīng)出N+1倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子電流，產(chǎn)生N+1倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)矩。脈動轉(zhuǎn)矩使電機(jī)轉(zhuǎn)動不均勻，特別在低頻時影響大。

解決辦法和思考

現(xiàn)在有三種解決問題的辦法

轉(zhuǎn)矩提升

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

選用矢量控制方式

矢量控制方式就是相當(dāng)于將交流電機(jī)調(diào)速通過一系列變換，等效為直流的調(diào)速特性。電機(jī)運(yùn)行時的電流包括兩個部分，勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，矢量控制方式模仿直流電機(jī)的控制原理，對其進(jìn)行分配，確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的高性能調(diào)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(zhuǎn)矩達(dá)到50HZ時輸出的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和充足的低速轉(zhuǎn)矩。

改變傳動比

改變電機(jī)和負(fù)載之間的減速箱或者皮帶輪的傳動比，讓電機(jī)處于較高頻率運(yùn)行就能得到電機(jī)原本就具有的充足的轉(zhuǎn)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(shè)備中，電網(wǎng)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(shí)驗(yàn)部分

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

步驟如下：

（1）將參數(shù)P1900調(diào)整到2此時出現(xiàn)A07991報(bào)警。

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

（3）如沒出現(xiàn)故障，變頻器停止，A07991報(bào)警消失，P1900被復(fù)位為0表示靜態(tài)識別過程結(jié)束。

（4）將P0971設(shè)置為1，保存靜態(tài)參數(shù)。

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

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

（1）根據(jù)電動機(jī)的規(guī)格對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（參數(shù)40，41，42，43，44，45）

（2）更改53#參數(shù)［轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生模式］ 設(shè)置為0---無速度傳感器的矢量控制。

（3）進(jìn)行自整定。

61#參數(shù)［自整定］設(shè)置為1，執(zhí)行非旋轉(zhuǎn)電動機(jī)定子阻抗測試的臨時指令（靜態(tài)自整定），然后給一個啟動信號，靜態(tài)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(shè)置達(dá)到最佳值。測試完成后該參數(shù)會返回0“準(zhǔn)備”。此項(xiàng)設(shè)定不管電機(jī)有無連接負(fù)載，都需要設(shè)定。

61#參數(shù)［自整定］設(shè)置為2，然后給一個啟動信號。進(jìn)行動態(tài)自整定，其功能為盡可能使［磁通電流基準(zhǔn)值］的自動設(shè)置達(dá)到最佳。設(shè)置完成后，該參數(shù)范圍0“準(zhǔn)備”。此項(xiàng)設(shè)定時，不能電機(jī)不能連接負(fù)載。

之后讓設(shè)備恢復(fù)正常生產(chǎn)狀態(tài)，經(jīng)過一定時間的觀察，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果

第一種問題中移栽電機(jī)跳停的次數(shù)明顯減少，幾乎不再出現(xiàn)這樣的問題。

第二種問題中的粉碎機(jī)跳停故障發(fā)生次數(shù)也減少了，但是仍有發(fā)生。

結(jié)果與討論

對于修改設(shè)置后仍有故障發(fā)生的原因，其原因有二：

本身負(fù)載的情況的確不穩(wěn)定，因?yàn)榇嬖诙铝锨闆r，這種情況的確應(yīng)該跳停，不然會燒壞電機(jī)；

機(jī)械部分的設(shè)計(jì)可能也存在缺陷，使原本和早期一樣配置的電機(jī)和變頻器帶動不了。

對于這類通過更改變頻器參數(shù)已經(jīng)無法解決的問題，最終還是應(yīng)使用最符合設(shè)計(jì)規(guī)范的方法，改變電機(jī)的皮帶輪的傳動比，使電機(jī)處于接近50Hz的頻率下運(yùn)行，再進(jìn)行觀察。并對連接電機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行觀察改進(jìn)。

結(jié)語

解決此類問題兩種方法：1.通過變頻器設(shè)置來提高低頻時的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；2.直接提高變頻器的正常工作頻率，使負(fù)載在較高頻率下運(yùn)行。

通過理論可以計(jì)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(shè)計(jì)在60％工頻以上的原因。對于特殊環(huán)境下必須在低頻下運(yùn)行的變頻器，我們只可以通過設(shè)置矢量控制方式來提高轉(zhuǎn)矩。

變頻器最適用于負(fù)荷平穩(wěn)的負(fù)載，對負(fù)載變化很大的不太適應(yīng)，由于轉(zhuǎn)矩沖擊太大，產(chǎn)生的電流的沖擊是很大的，在啟動時既使用了轉(zhuǎn)矩提升補(bǔ)償，也無濟(jì)于事。啟動相當(dāng)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(fèi)。

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.078