變頻器(開關頻率)載波頻率

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變頻器大多是採用PWM調製的形式進行變頻器的。也就是說變頻器輸出的電壓其實是一系列的脈衝，脈衝的寬度和間隔均不相等。其大小就取決於調製波和載波的交點，也就是開關頻率。開關頻率越高，一個周期內脈衝的個數就越多，電流波形的平滑性就越好，但是對其它設備的干擾也越大。載波頻率越低或者設定的不好，電機就會發出難聽的噪音。
通過調節開關頻率可以實現系統的噪音最小，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，當今幾乎都採用交—直—交的主電路，其控制方式亦選用正弦脈寬調製即SPWM,它的載波頻率是可調的，一般從1-15kHz，可方便地進行人為選用。但在實際使用中不少用戶只是按照變頻器製造單位原有的設定值，並沒有根據現場的實際情況進行調整，因而造成因載波頻率值選擇不當，而影響正確，感覺的有效工作狀態，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。本文就此提供應該從以下諸方面來考慮，並正確選擇載波頻率值的依據。
2 載波頻率與功率損耗
功率模組IGBT的功率損耗與載波頻率有關，且隨載波頻率的提高、功率損耗增大，這樣一則使效率下降，二則是功率模組發熱增加，對運行是不利的，當然變頻器的工作電壓越高，影響功率損耗亦加大。對不同電壓、功率的變頻器隨著載波頻率的加大、功率損耗具體變化，可見圖1A-E所示。
3 載波頻率與環境溫度
當變頻器在使用時載波頻率要求較高，而且環境溫度亦較高的情況下，對功率模組是非常不利的，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境溫度的大小，對變頻器的允許恆輸出電流要適當的降低，以確保功率模組IGBT安全、可靠、長期地運行。可參見表1及圖2A-D所示。
4 載波頻率與電動機功率
電動機功率大的，相對選用載波頻率要低些，目的是減少干擾(對其它設備使用的影響)，一般都遵守這個原則，但不同製造廠具體值亦不同的。
例，日本有下列關係供參考
載波頻率 15kHz 10kHz 5kHz
電動機頻率 ≤30kW 37-100kW 185-300kW
例，芬蘭VACON
載波頻率 1-16kHz 1-6kHz
電動機功率 ≤90kW 110-1500kW
例，深圳安聖(原華為)
載波頻率 6kHz 3kHz 1kHz
電動機功率 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通過正弦脈寬調製SPWM後,產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,所以在運行過程中首先要正確選擇載波頻率值的大小後,然後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，當載波頻率過低時，電機有效轉矩減小，損耗加大，溫度增高的缺點，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，對電動機絕緣影響較大。具體例如表2。
7 載波頻率對電動機的噪音
電動機的噪音來自通風躁音、電磁噪音、機械噪音三個方面，對通風和機械噪音在此估且不談，只就使用變頻器後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，使電動機氣隙的高次諧波磁通增加，所以噪聲變大。其特徵為:
(1)由於變頻器輸出的較低的高次諧波分量與轉子固有頻率的諧振，使轉子固有頻率附近的噪音增大。
(2)由於變頻器輸出的高次諧波使鐵心、機殼、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係，當載波頻率高時相對噪音就小。
(4)經測試得到當電動機在變頻運行時，比在工頻50Hz運行時，噪聲只大2dB可見影響不很大，其絕對值約在70dB附近。
(5)採用變頻電動機能降低相同運行參數時的噪音6-10dB。
8 載波頻率與電動機的振動
電動機的振動原因可分為電磁與機械兩種，這裡估且不談機械原因，只就電磁原因作下分析:
(1) 由於較低次的高次諧波分量與轉子的諧振，其固有頻率附近的振動分量增加。
(2) 由於高次諧波產生脈動轉矩的影響發生振動。
(3) 當採用變頻器後在相同50Hz頻率下工作時振動略大，尤其當工作頻率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，且電動機極數小的較極數大的略為嚴重。
(4) 可採用輸出AC電抗器減振動。
(5) 將v/f給定小些。
(6) 採用變頻電動機可降低振動。
(7) 對高速磨床等可採用低噪聲、低振動的專用電動機。
9 載波頻率與電動機的發熱
由於逆變器採用正弦脈寬調製後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生，以及波形不夠光滑有毛刺出現，庶必造成輸出電流的增加可達10%，而發熱與電流I2成正比，因此在相同工作頻率相同負荷下，使用變頻器後電動機的溫升略高些，為儘可能減少這部分損耗，要儘可能使載波頻率值大些，對運行有利，或選用變頻電動機，具體解決辦法是:
(1) 儘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。
(4) 變頻器的工作頻率要低於20Hz，而生產設備就要低速，而且有較大的負荷運行時， (下轉34頁)(上接50頁)電動機輸出軸後再加裝一級減速器，以利工作頻率(變頻器)提高，且增大輸出轉矩，以利統一解決負荷的要求、變頻器的許可，以及電動機的振動、噪音、發熱、工作頻率、載波頻率幾方面統籌的合理解決。
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脈衝三相橋式二極體整流電路即AC/DC變換，由於二極體是非線性元件，在實際裝配時，每個元件的內阻抗不會一致，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生原因，尤其當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有10-20%的差別，這是經常有可能出現的，為改善輸入電流三相的不平衡度，儘可能減少起見，通常採用以下方法:
(1) 改善電網品質使它不平衡度儘可能小些。
(2) 選用高檔次優質品牌的變頻器。
(3) 儘可能提高載波頻率值。
(4) 調換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
通過以上方法使三相不平衡度儘可能減小為原則，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，這裡還要注意的測量變頻器的輸入或輸出電壓、電流時，最好選用一隻，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，否則測量值比實際值出現偏大的現象，這點亦要注意的。