变频器低频转矩不足研究

王 珺

变频器低频转矩不足研究

王 珺

王 珺

南通醋酸纤维有限公司

王珺，1983年03月26日，男，本科。

变频器在现代工业中运用越来越广泛，应用也是多种多样，本文讲述了变频器V/F控制方式，和矢量控制方式的运用环境，以及对平时变频器运用的一些误区。

前言

目前变频器越来越多的运用于工业马达控制中，可能大多数人对于变频器的最主要作用的理解是：变频器是调速用的。的确，变频器主要就是将原本不易调速的三相交流电动机通过改变其工作频率，来达到调速的效果。作为变频器产生之初的目的就是体现在“变频”两字上，频率改变就改变了电机的转速，调速效果就达到了。没错，现在很多人在设计使用变频器时，就是利用了这点，不过却有时会走进一个误区，纯粹当成了一个调速器在使用，这是不恰当的。

现状理论分析

在变频器低频运行时，会遇到一些实际问题。

某包装车间移栽电机变频器出现的高度切换到低速（8Hz）时的过电流报警甚至故障现象。

某加工车间，粉碎机系统中，常年维持在低频运行（20Hz多一点）经常也会发生变频器过载跳停故障。

分析：1. 低频时电机能提供的转矩比较低，所以才会产生过载，因此跳停。

通过观察了上面两种情况的变频器设置，发现都是处于V/F控制方式的。

V/F控制方式：也成为恒磁通变速调速方式，是目前变频器最基本的控制方式， V/F控制就是保证定子电压（V）跟频率（F）成正比的控制这样可以使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这属于恒转矩调速方式，不过这仅仅是一种近似的恒磁通控制，在低频时，它的磁通不能很稳定保持常数不变，这到底是为什么呢？

电机的定子电压

U = E + I*R ——① （I为电流， R为电子电阻，E为感应电势）

可以看出， U，I不变时， E也不变。

E = k*f*X， —— ②（k：常数， f： 频率，X：磁通），

所以当f小于50Hz时，由于I*R很小，

U≈E= k*f*X ——③

X=U/F*1/k

所以U/f=E/f不变时，磁通（X）为常数。

又因为对于电机来说，T=K*I*X，（T：转矩，K：常数，I：电流，X：磁通）因此转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力， 并称为恒转矩调速（额定电流不变--＞最大转矩不变）

所以50Hz以下的V/F控制可以看成恒转矩，既然是恒转矩，为何在低频时候转矩会变低？关键就在于非低频时候，①式中I*R因为较小，被我们忽略掉了。可是在低频时由于U较低，相对于E来说，IR就变大了，不能忽略不计。按照这样计算得：

T=（UI- I2 R）/f

因此f越低 T也就相对越低，也就是说低频时，转矩越低。

2. 另一个原因来自变频器产生的谐波。由于一般变频器调速的原理是通过将原来工频输入的恒压电整流成直流电，再将直流电通过IGBT逆变成不用频率的交流电，因此逆变后的交流电不是原先平滑的正弦曲线，而是充满各种谐波的类似正弦电压。高次谐波的角频率较高，造成对应的电机阻抗升高，以及相应的损耗也增加了。在高次谐波电流的影响下，会在电机的铁心中产生涡流和磁滞效应，导致电动机运行效率下降，功率因数降低。功率因数受到影响降低了，转矩也就受到了影响。还有，不同次数的谐波和基波产生的磁场方向可能是不同，如，5次相反，7次相同，等等。逆向的磁场试图让电机逆向旋转，这样也消耗了电机输出的功率。N次谐波的频率是基波（也就是一次波）的N倍，其产生的磁场转速也是基波产生的磁场转速的N倍，如果是反向谐波，会感应出N+1倍于基波频率的转子电流，产生N+1倍于基波频率的脉动转矩。脉动转矩使电机转动不均匀，特别在低频时影响大。

解决办法和思考

现在有三种解决问题的办法

转矩提升

变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降（①式中的IR）其实也就是在低频时提高V/F的比例值。现在的变频器基本都带有转矩提升的功能。

选用矢量控制方式

矢量控制方式就是相当于将交流电机调速通过一系列变换，等效为直流的调速特性。电机运行时的电流包括两个部分，励磁电流分量和转矩电流分量，矢量控制方式模仿直流电机的控制原理，对其进行分配，确定产生转矩电流分量和励磁分量的值，对两个分量的大小，幅值，相位分别控制来控制定子电流矢量，矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式分为有速度传感器的矢量控制和无速度传感器的矢量控制等。有的变频器的矢量控制能够在1HZ时输出的转矩达到50HZ时输出的转矩。在日常生活中，搅拌器，电梯，传送带大量使用这种控制方式。

对于代替V/F控制的，可以使用无速度传感器的矢量控制。变频器选用磁通矢量控制可以提供大的启动转矩和充足的低速转矩。

改变传动比

改变电机和负载之间的减速箱或者皮带轮的传动比，让电机处于较高频率运行就能得到电机原本就具有的充足的转矩。这也是最行之有效，和最根本的解决问题的方法。

另外，做到这些的同时，都要注意高次谐波的消除。对于大量使用变频器的电气设备中，电网必然容易被高次谐波污染，可以通过加装有源滤波器来过滤高次谐波。

实验部分

对于第一种问题中所用的电机变频器（西门子CU240 DP）我们进行了设定，将控制方式改成了无速度传感器的矢量控制，并进行了静态自整定。

步骤如下：

（1）将参数P1900调整到2此时出现A07991报警。

（2）输入一个启动命令给变频器，此时变频器启动，向电机注入电流，这时候会听到电磁的噪声。该过程持续时间因电机功率不同而不同，功率越大时间越长。

（3）如没出现故障，变频器停止，A07991报警消失，P1900被复位为0表示静态识别过程结束。

（4）将P0971设置为1，保存静态参数。

对于第二种文中的电机变频器（AB Powerflex700）进行了如上设定，将控制方式改成了无速度传感器的矢量控制，并进行了静态自整定。

对于常用到变频器AB PoweFlex700变频器，设置无速度传感器矢量控制的方法如下。

（1）根据电动机的规格对电机参数进行设置（参数40，41，42，43，44，45）

（2）更改53#参数［转矩产生模式］ 设置为0---无速度传感器的矢量控制。

（3）进行自整定。

61#参数［自整定］设置为1，执行非旋转电动机定子阻抗测试的临时指令（静态自整定），然后给一个启动信号，静态自整定开始。其功能为尽可能使有效模式下［IR电压降］的自动设置达到最佳值。测试完成后该参数会返回0“准备”。此项设定不管电机有无连接负载，都需要设定。

61#参数［自整定］设置为2，然后给一个启动信号。进行动态自整定，其功能为尽可能使［磁通电流基准值］的自动设置达到最佳。设置完成后，该参数范围0“准备”。此项设定时，不能电机不能连接负载。

之后让设备恢复正常生产状态，经过一定时间的观察，统计试验结果。

试验结果

第一种问题中移栽电机跳停的次数明显减少，几乎不再出现这样的问题。

第二种问题中的粉碎机跳停故障发生次数也减少了，但是仍有发生。

结果与讨论

对于修改设置后仍有故障发生的原因，其原因有二：

本身负载的情况的确不稳定，因为存在堵料情况，这种情况的确应该跳停，不然会烧坏电机；

机械部分的设计可能也存在缺陷，使原本和早期一样配置的电机和变频器带动不了。

对于这类通过更改变频器参数已经无法解决的问题，最终还是应使用最符合设计规范的方法，改变电机的皮带轮的传动比，使电机处于接近50Hz的频率下运行，再进行观察。并对连接电机的机械部分进行观察改进。

结语

解决此类问题两种方法：1.通过变频器设置来提高低频时的电机转矩；2.直接提高变频器的正常工作频率，使负载在较高频率下运行。

通过理论可以计算出高频率的带载效果更好，这也是所有变频器使用手册上都会提到的，尽量工作频率设计在60％工频以上的原因。对于特殊环境下必须在低频下运行的变频器，我们只可以通过设置矢量控制方式来提高转矩。

变频器最适用于负荷平稳的负载，对负载变化很大的不太适应，由于转矩冲击太大，产生的电流的冲击是很大的，在启动时既使用了转矩提升补偿，也无济于事。启动相当困难，很容易自动跳脱。要解决这个问题，只有选择大容量的变频器，这又是一种浪费。

在对变频器的运用上，不要走入“它仅仅是个调速器”的误区。变频器合理的工作频率不宜过慢或者过快。低频运行时，转矩输出不够，输出功率也不够，且较易发热，损坏电机。过高频率运行时，容易增加电机的磨损，震动，温升，维修量增加。一般建议变频器带动电机正常工作频率在30Hz至50Hz。最好选用专用的变频电机。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.078