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关于变频器的电动机与变压器噪声方面的问题

华运工控网(www.ic571.com)   发表时间:2010-09-09

由于交流异步电动机主磁极的磁通是按照正弦规律来设计和运行的。为了使电动机的运行性能优良,电动机变频调速技术通常采用正弦波脉冲宽度调制的方法,简称SPWM方法。
由于在SPWM电压脉冲序列中,各个脉冲的幅度相等而脉冲的宽度不相等。宽度的变化取决于两个比较电压Ura(正弦波参考电压)和Ut(三角波电压。即所谓的载波频率电压)的交点及交点间的时间距离。在这个脉冲序列中,占空比按照正弦规律变化,因此脉冲序列的瞬时电压平均值是按正弦规律变化的。所谓SPWM就是用幅值相等而宽度不等的矩形脉冲序列去逼近和等效我们所需的正弦交流信号。
要想获得好的SPWM波形,正弦波参考信号Ura的大小与载波信号Ut的大小存在一定的关联,参考信号的频率与载波信号的频率关系决定着半个周期内SPWM的脉冲数目。
为表征这种关系,调制度M和载波比N的定义如下:
M=Urm/Utm
N=ft/fr
式中 Urm是参考信号的最大值。
Utm
是载波信号的最大值。
Ft
是载波信号的频率。
Fr
是参考信号的频率。
通常,M的值在0.1~0.9之间比较合适。
N
的值在理论上是越大越好,但实际受到大功率开关器件的开关频率的限制。所以,开关器件的性能如何对变频器的调速性能有较大影响。
实际应用时,变频器是采用双极性脉宽调制的方法。特征是参考信号和载波信号均为有正有负的双极性信号。
变频器输出的交流电的电压大小的调节是由改变参考信号的电压大小来实现的,输出交流电的频率调节则是由改变参考控制波的频率来实现的,并且这两个频率同样大小。
由于在SPWM方式下,当需要调节频率进行变频调速时,如果只调节参考控制信号的频率,就会带来谐波增大影响系统正常工作的问题;在低频低速时,半个周期内的脉冲数目或载波比不增加的话,就会带来转矩脉动等问题。
为了解决以上的问题,变频器电路则采用了不同的调制方式:
1
同步调制方式。
2
异步调制方式。
3
分段同步调制方式。
三种方式,各有利弊:
同步调制方式:在调制时,保持载波比N=ft/fr不变,即在参考控制信号的频率Fr改变时,同步地改变三角波载波频率Ft。这种方式在变频器输出电压每个周期内的三角波数目是固定的,因此所产生的SPWM脉冲数也是固定不变的。
优点是:在变频器输出频率变化的整个范围内,可以保持输出波形的正负半周对称,半周内波形左右对称,有利于谐波的消除。并能够严格做到变频器输出三相波形之间具有相差120°电角度的对称关系。
缺点是:在变频器低频输出时,由于一个周期内的脉冲数(载波比N)太少,低次谐波分量比较大,电机会产生转矩脉动和噪声。频率越低,转矩脉动和转速脉动就越严重。
异步调制方式:为解决同步调制方式下低频转矩脉动问题,应考虑低频时增加三角波载波的数目,使SPWM脉冲数增加。即频率越低而SPWM脉冲数越多的调制方式。
此时,采用固定不变的三角波频率,在调速时会使得载波比N的变化。
优点是:低速运行时,变频器输出电压每个周期内的SPWM脉冲数相应增加,可减小电动机的转矩脉动和噪声,使变频调速系统具有较好的低频特性。
缺点是:由于三角波载波频率Ft保持不变,当参考控制电压频率Fr连续调节时,不可能在整个变频范围内保证载波比N为一个整数,特别是能被3整除的数,因而不能保证变频器输出电压正负半周,半周内左右之间以及三相之间的对称关系,使得电动机运行时谐波成分大为增加。
分段同步调制方式:为综合利用同步调制和异步调制的优点,克服两者的不足,在技术处理层面上可采用分段同步调制方式,这种方式有较多的实际应用。简单地说,分段同步调制方式就是段与段之间异步方式,段内同步方式。
采用这种方式的优点是:可以消除变频器输出电压波形不对称所造成的不良影响,并改善变频调速系统的低频运行特性。
缺点是:在载波比N切换时,可能出现电压的突变甚至振荡。
在载波比切换时应注意的问题是:切换时不出现电压的突变;应在切换的临界点处留出一个滞后区,以避免不同载波比时出现振荡。
但在实际应用中,往往忽视了这些问题。
主要表现在以下几个方面:
1
用户对变频器的应用了解较少,一切听设计部门的意见。
2
设计部门的现场实际经验比较少,对实际工况预计不足。
3
设备配套部门只是根据设计部门的设计进行装配,现场调试仅限于空载试车。
4
负荷试车时又不会按实际工况进行有关参数的重新设定。
以至造成用户在实际使用中针对出现的问题无从下手。
主要表现的问题:
1
低速时带不动负载,电动机脉动运转,电动机与变压器有噪声。
2
调速过程中发生脉动以及电动机与变压器有噪声。
3
速度越高电动机与变压器噪声越大。
以上问题主要发生在未加电抗器的设备上,对于电抗器选配不合适的设备也存在此类问题。有些设备在改变载波频率后有所改善,但却不能彻底解决问题。
电抗器的问题解决才是根本。
关于变频器电抗器的选择问题
1
额定交流电流的选择
额定交流电流是从发热方面设计电抗器的长期工作电流,同时应该考虑足够的高次谐波分量。即输出电抗器实际流过的电流是变频器电机负载的输出电流。
2
电压降
电压降是指50HZ时,对应实际额定电流时电抗器线圈两端的实际电压降。通常选择电压降在4V~8V左右。
3
电感量的选择
电抗器的额定电感量也是一个重要的参数!若电感量选择不合适,会直接影响额定电流下的电压降的变化,从而引起故障。而电感量的大小取决于电抗器铁芯的截面积和线圈的匝数与气隙的调整。
输出电抗器电感量的选择是根据在额定频率范围内的电缆长度来确定,然后再根据电动机的实际额定电流来选择相应电感量要求下的铁芯截面积和导线截面积,才能确定实际电压降。
4
,对应额定电流的电感量与电缆长度:
电缆长度 额定输出电流 电感量
300
100A 46μH
200A 23μH
250A 16μH
300A 13μH
600
100A 92μH
200A 46μH
250A 34μH
300A 27μH
理想的电抗器在额定交流电流及以下,电感量应保持不变,随着电流的增大,而电感量逐渐减小。
当额定电流大于2倍时,电感量减小到额定电感量的0.6倍。
当额定电流大于2.5倍时,电感量减小到额定电感量的0.5倍。
当额定电流大于4倍时,电感量减小到额定电感量的0.35倍。

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