变频器载波频率对电动机运行的影响

电动机知识

变频器载波频率对电动机运行的影响

变频器大多是采用PWM 调制的形式进行变频器的。也就是说变频器输出的电压其实是一系列的脉冲，脉冲的宽度和间隔均不相等。其大小就取决于调制波和载波的交点，也就是开关频率。开关频率越高，一个周期内脉冲的个数就越多，电流波形的平滑性就越好，但是对其它设备的干扰也越大。载波频率越低或者设臵的不好，电机就会发出难听的噪音。通过调节开关频率可以实现系统的噪音最小，波形的平滑型最好，同时干扰也是最小的。1低压变频器概述对电压≤500V 的变频器，当今几乎都采用交—直—交的主电路，其控制方式亦选用正弦脉宽调制即SPWM, 它的载波频率是可调的，一般从1-15kHz ，可方便地进行人为选用。但在实际使用中不少用户只是按照变频器制造单位原有的设定值，并没有根据现场的实际情况进行调整，因而造成因载波频率值选择不当，而影响正确，感觉的有效工作状态，因此在变频器使用过程中如何来正确选择变频器的载波频率值亦是重要的事。本文就此提供应该从以下诸方面来考虑，并正确选择载波频率值的依据。2 载波频率与功率损耗功率模块IGBT 的功率损耗与载波频率有关，且随载波频率的提高、功率损耗增大，这样一则使效率下降，二则是功率模块发热增加，对运行是不利的，当然变频器的工作电压越高，影响功率损耗亦加大。对3 载波频率与环境温度当变频器在使用时载波频率要求较高，而且环境温度亦较高的情况下，对功率模块是非常不利的，这时对不同功率的变频器随着使用的载波频率的高低及环境温度的大小，对变频器的允许恒输出电流要适当的降低，以确保功率模块IGBT 安全、可靠、长期地运行。4 载波频率与电动机功率电动机功率大的，相对选用载波频率要

低些，目的是减少干扰(对其它设备使用的影响) ，一般都遵守这个原则，但不同制造厂具体值亦不同的。例，日本有下列关系供参考载波频率 15kHz 10kHz 5kHz 电动机频率 ≤30kW 37-100kW 185-300kW 例，芬兰VACON 载波频率 1-16kHz 1-6kHz 电动机功率 ≤90kW 110-1500kW例，深圳安圣(原华为) 载波频率 6kHz 3kHz 1kHz 电动机功率 5.5-22kW 30-55kW 75-200kW 例，成都佳灵公司JP6C-T9系列载波频率 2-6kHz 2-4kHz 电动机功率 0.75-55kW 75-630kW5 载波频率与变频器的二次出线(U，V ，W) 长度载波频率 15kHz 10kHz 5kHz 1kHz线路长度 50-100M >100-150M >150-200M6 载波频率对变频器输出二次电流的波形众所周知变频器的逆变(DC/AC变换) 部分是由IGBT 通过正弦脉宽调制SPWM 后, 产生呈正弦波的电流波形, 那么载波频率的大小、直接影响电流波形的好坏程度, 以及干扰的大小, 而且载波频率的大小是较为敏感和直接的, 所以在运行过程中首先要正确选择载波频率值的大小后, 然后再考虑附加各种抑制谐波装臵, 例AC 电抗器、DC 电抗器、滤波器、另序电抗器，及安装布线、接地等措施，这样处理是较合理的、更有效的，切不可本未倒臵来处理问题，这是很重要的原则。当载波频率高时，电流波形正弦性好，而且平滑。这样谐波就小，干扰就小，反之就差，当载波频率过低时，电机有效转矩减小，损耗加大，温度增高的缺点，反之载波频率过高时，变频器自身损耗加大，IGBT 温度上升，同时输出电压的变化率dv/dt增大，对电动机绝缘影响较大。7 载波频率对电动机的噪音电动机的噪音来自通风躁音、电磁噪音、机械噪音三个方面，对通风和机械噪音在此估且不谈，只就使用变频器后对电磁噪音问题作下分析。变频器的输出电压、电流中含有一定分量的高次谐波，使电动机气隙的高次谐波磁通增加，

所以噪声变大。其特征为:(1)由于变频器输出的较低的高次谐波分量与转子固有频率的谐振，使转子固有频率附近的噪音增大。

(2)由于变频器输出的高次谐波使铁心、机壳、轴承座等的谐振，在固有频率附近的噪音增大。(3)噪音与载波频率大小有直接关系，当载波频率高时相对噪音就小。(4)经测试得到当电动机在变频运行时，比在工频50Hz 运行时，噪声只大2dB 可见影响不很大，其绝对值约在70dB 附近。(5)采用变频电动机能降低相同运行参数时的噪音6-10dB 。8 载波频率与电动机的振动电动机的振动原因可分为电磁与机械两种，这里估且不谈机械原因，只就电磁原因作下分析:(1) 由于较低次的高次谐波分量与转子的谐振，其固有频率附近的振动分量增加。(2) 由于高次谐波产生脉动转矩的影响发生振动。(3) 当采用变频器后在相同50Hz 频率下工作时振动略大，尤其当工作频率20Hz 时振动将增至全振幅为7um ，工作频率80Hz-120Hz 全振幅将增为6um ，且电动机极数小的较极数大的略为严重。(4) 可采用输出AC 电抗器减振动。(5) 将v/f给定小些。(6) 采用变频电动机可降低振动。(7) 对高速磨床等可采用低噪声、低振动的专用电动机。9 载波频率与电动机的发热由于逆变器采用正弦脉宽调制后其电流输出波形是近似正弦波，谐波分量见图3，必定有一定分量的各次的高次谐波产生，以及波形不够光滑有毛刺出现，庶必造成输出电流的增加可达10%，而发热与电流I2成正比，因此在相同工作频率相同负荷下，使用变频器后电动机的温升略高些，为尽可能减少这部分损耗，要尽可能使载波频率值大些，对运行有利，或选用变频电动机，具体解决办法是:(1) 尽可能选用较高载波频率，以改善输出电流波形。(2) 加装输入、输出AC 电抗器或有源滤波器等。(3) 选用变频电动机。(4) 变频器的工作频率要低于20Hz ，而生产设备就要低速，而且有较大

的负荷运行时，电动机输出轴后再加装一级减速器，以利工作频率(变频器) 提高，且增大输出转矩，以利统一解决负荷的要求、变频器的许可，以及电动机的振动、噪音、发热、工作频率、载波频率几方面统筹的合理解决。10 载波频率与变频器输入三相电流的不平衡度变频器的输入部分是6脉冲三相桥式二极管整流电路即AC/DC变换，由于二极管是非线性元件，在实际装配时，每个元件的内阻抗不会一致，造成三相不匹配，又因输入电流是非正弦性，这样就造成输入变频器的三相电流的不平衡产生原因，尤其当输入电压就存在较大的不平衡，例:有3-5%的差值，这样三相输入电流最大可能出现有10-20%的差别，这是经常有可能出现的，为改善输入电流三相的不平衡度，尽可能减少起见，通常采用以下方法:(1) 改善电网品质使它不平衡度尽可能小些。(2) 选用高档次优质品牌的变频器。(3) 尽可能提高载波频率值。(4) 调换R 、S 、T 三相的相序(变频器输入电压相位不需理相)(5) 选用变频电动机通过以上方法使三相不平衡度尽可能减小为原则，要绝对平衡难以做到的。但变频器输出三相电流基本是平衡的，这里还要注意的测量变频器的输入或输出电压、电流时，最好选用一只，只反映基波(50Hz)的带有滤波的电压、电流表、钳形电流表万能或表为宜，否则测量值比实际值出现偏大的现象，这点亦要注意的。 〃热继电器的工作原理

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随着起重机的不断发展，传统控制技术难以满足起重机越来越高的调速和控制要求。在电子技术飞速发展的今天，起重机与电子技术的结合越来越紧密，如采用PLC 取代继电器进行

逻辑控制，交流变频调速装臵取代传统的电动机转子串电阻的调速方式等。在选型对比基础上，本项目电动机调速装臵采用了先进的变频调速方案，变频器最终选型为ABB 变频器ACS800，电动机选用专用鼠笼变频电动机。在众多交流变频调速装臵中，ABB 变频器以其性能的稳定性，选件扩展功能的丰富性，编程环境的灵活性，力矩特性的优良性和在不同场合使用的适应性，使其在变频器高端市场中占有相当重要的地位。ACC800变频器是ACS800系列中具有提升机应用程序的重要一员，

它在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如起动向导，自定义编程，DTC 控制等，非常适合作为起重机主起升变频器使用。本文结合南京梅山冶金发展有限公司设备分公司所负责维修管理的宝钢集团梅钢冷轧厂27台桥式起重机变频调速控制系统，详细介绍ACC800变频器在起重机主起升中的应用。

1DTC 控制技术

DTC （直接转矩控制，DirectTorqueControl ）技术是ACS800变频器的核心技术，是交流传动系统的高性能控制方法之一，它具有控制算法简单，易于数字化实现和鲁棒性强的特点。其实质是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下建立异步电动机空间矢量数学模型，通过测量三相定子电压和电流（或中间直流电压）直接计算电动机转矩和磁链的实际值，并与给定转矩和磁链进行比较，开关逻辑单元根据磁链比较器和转矩比较器的输出选择合适的逆变器电压矢量（开关状态）。定子给定磁链和对应的电磁转矩的实际值，可以用定子电压和电流测量值直接计算得到。在计算中，只需要一个电动机参数―――定子电阻，这一点和几乎需要全部电动机参数的直接转子磁链定

向控制（矢量控制）形成了鲜明对比，极大地减轻了微处理器的计算负担，提高了运算速度

。直接转矩控制结构较为简单，可以实现快速的转矩响应（不大于5ms ）。

2防止溜钩控制

作为起重用变频系统，其控制重点之一是在电动机处于回馈制动状态下系统的可靠性（" 回馈" 是指电动机处于发电状态时通过逆变桥向变频器中间直流回路注入电能），尤其需要引起注意的是主起升机构的防止溜钩控制。溜钩是指在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态出现下滑的现象。

电磁制动器从通电到断电（或从断电到通电）

需要的时间大约为016s （视起重机型号和起重量大小而定），变频器如过早停止输出，将容易出现溜钩，因此变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生" 过流" 而跳闸的误动作。

防止溜钩现象的方法是利用变频器零速全转矩功能和直流制动励磁功能。零速全转矩功能，即变频器可以在速度为零的状态下，保持电动机有足够大的转矩，从而保证起重设备在速度为零时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，以防止溜钩的发生。直流制动励磁功能，即变频器在起动之前自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的起动转矩，维持重物在空中的停止状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会发生溜钩。

3系统硬件配臵

梅钢冷轧桥式起重机上应用的ACS800变频器调速系统由电控柜，大小车变频控制柜，起升变频控制柜，联动控制台等

组成。主起升采用1台ACC800变频器驱动1台起升专用电动机，并在电动机轴尾安装1台速度编码器，做速度反馈用。

该速度编码器用来提高低速状态下电动机模型的速度和转矩计算精度，保证转矩验证，开闭闸等功能。主起升采用斩波器加制动电阻实现制动功能，斩波器与制动电阻串联后接入变频器整桥与逆变桥之间的直流回路中，并由变频器根据中间直流回路电压高低控制斩波器接通与否（即控制制动电阻的投切）。变频器配有RPBA201接口卡件，提供标准的Profibus2DP 现场总线接口，用于与PLC 通信控制，并接收PLC 发来的开，停车命令和速度设定值等控制参数。

4起升变频器功能参数设臵

ABB 变频器在出厂时，所有功能码都已设臵。

但是，起重机变频调速系统的要求与工厂设定值不尽相同，所以，ACC800中一些重要的功能参数需要重新设定。

（1）起动数据（参数组99）

参数99102（用于提升类传动，但不包括主/从总线通信功能）：CRANE ；参数99104（电动机控制模式）：DTC （直接转矩控制）；参数99105～99109（电动机常规铭牌参数）：按照电动机的铭牌参数输入。

（2）数字输入（参数组10）

参数10101～10113（数字输入接口预臵参数）：按照变频器外围接口定义进行设臵，限于篇幅，不再赘述。

（3）限幅（参数组20）

参数20101（运行范围的最小速度）：-1000 r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20102（运行范围的最大速度）：1000r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20103（最大输出电流）：120%；参数20104（最大正输出转矩）：150%；参

数20104（最大负输出转矩）：-150%；参数20106（直流过压控制器参数）：OFF （本例中ACC800变频器使用了动力制动方式，此参数设为OFF 后，制动斩波器才能投入运行）。

（4）脉冲编码器（参数组50）

参数50101（脉冲编码器每转脉冲数）：1024；参数50103（编码器故障）：FAULT （如果监测到编码器故障或编码器通信失败时，ACC800变频器显示故障并停机）。

（5）提升机（参数组64）

参数64101（独立运行选择）：FALSE ；64103（高速值1）：98%；64106（给定曲线形状）：0（直线）；参数64110（控制类型选择）：FBJOYSTICK. （6）逻辑处理器（参数组65）

参数65101（电动机停止后是否保持电动机磁场选择）：TRUE （在电动机停止后保持电动机磁场为"ON" ）；参数65102（ON 脉冲延时时间）：5s. （7）转矩验证（参数组66）

参数66101（转矩验证选择）：TRUE （转矩验证有效，要求有脉冲编码器）。

（8）机械制动控制（参数组67）

参数67106（相对零速值）：3%；参数67109（起动转矩选择器）：AUTOTQMEM （自动转矩记忆）。

（9）给定处理器（参数组69）

参数69101（对应100%给定设臵电动机速度）：980r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数69102（正向加速时间）：3s ；参数69103（反向加速时间）：3s ；参数69104（正向减速时间）：3s ；参数69105（反向减速时间）：3s. （10）可选模块（参数组98）

参数98101（脉冲编码器模块选择）：RTAC2 SLOT2（脉冲编码器模块类型为RTAC ，连接接口为传动控制单元的选件插

槽2）；参数98102（通信模块选择）：FIELDBUS （激活外部串行通信并选择外部串行通信接口）。

5试运行

变频调速系统的功能参数设定完后，就可进行系统试运行。应先在变频器操作盘上进行速度给定，手动起动变频器，让起升电动机空载运转一段时间，并且这种试运行可以在5，10，15，20，25，35，50Hz 等几个频率点进行，注意观察电动机的运转方向是否正确，转速是否平稳，显示数据是否正确，温升是否正常，加减速是否平滑等

。单台变频器试运行正确后，再接入脉冲编码器模块进行速度闭环调试，试运行起升机构变频调速系统。

起升变频器手动运行无误后，就可接入PLC 控制系统，进行整机联调。整机联调中，关键要注意观察变频器起动与停止时，主起升机械制动器的开闭反应是否快速，钩头是否存在溜钩现象等。

其次还要注意观察钩头在下降过程中，制动单元和制动电阻投运后，其温升是否正常。在重物下放过程中，重物的势能会释放出来，此时电动机将工作在反向发电状态。在钩头下降过程中，电动机通过逆变桥向变频器中间直流回路充电，当直流回路的电压高于变频器系统设定值时，变频器控制斩波器接通，进而使制动电阻投入工作，以消耗变频器中间直流回路多余的电能，确保变频器中间直流回路电压稳定在一个特定电压范围内。

随着起重机的不断发展，传统控制技术难以满足起重机越来越高的调速和控制要求。在电子技术飞速发展的今天，起重机与电子技术的结合越来越紧密，如采用PLC 取代继电器进行逻辑控制，交流变频调速装臵取代传统的电动机转子串电阻的

调速方式等。在选型对比基础上，本项目电动机调速装臵采用了先进的变频调速方案，变频器最终选型为ABB 变频器ACS800，电动机选用专用鼠笼变频电动机。在众多交流变频调速装臵中，ABB 变频器以其性能的稳定性，选件扩展功能的丰富性，编程环境的灵活性，力矩特性的优良性和在不同场合使用的适应性，使其在变频器高端市场中占有相当重要的地位。ACC800变频器是ACS800系列中具有提升机应用程序的重要一员，

它在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如起动向导，自定义编程，DTC 控制等，非常适合作为起重机主起升变频器使用。本文结合南京梅山冶金发展有限公司设备分公司所负责维修管理的宝钢集团梅钢冷轧厂27台桥式起重机变频调速控制系统，详细介绍ACC800变频器在起重机主起升中的应用。

1DTC 控制技术

DTC （直接转矩控制，DirectTorqueControl ）技术是ACS800变频器的核心技术，是交流传动系统的高性能控制方法之一，它具有控制算法简单，易于数字化实现和鲁棒性强的特点。其实质是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下建立异步电动机空间矢量数学模型，通过测量三相定子电压和电流（或中间直流电压）直接计算电动机转矩和磁链的实际值，并与给定转矩和磁链进行比较，开关逻辑单元根据磁链比较器和转矩比较器的输出选择合适的逆变器电压矢量（开关状态）。定子给定磁链和对应的电磁转矩的实际值，可以用定子电压和电流测量值直接计算得到。在计算中，只需要一个电动机参数―――定子电阻，这一点和几乎需要全部电动机参数的直接转子磁链定向控制（矢量控制）形成了鲜明对比，极大地减轻了微处理器

的计算负担，提高了运算速度

。直接转矩控制结构较为简单，可以实现快速的转矩响应（不大于5ms ）。

2防止溜钩控制

作为起重用变频系统，其控制重点之一是在电动机处于回馈制动状态下系统的可靠性（" 回馈" 是指电动机处于发电状态时通过逆变桥向变频器中间直流回路注入电能），尤其需要引起注意的是主起升机构的防止溜钩控制。溜钩是指在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态出现下滑的现象。

电磁制动器从通电到断电（或从断电到通电）

需要的时间大约为016s （视起重机型号和起重量大小而定），变频器如过早停止输出，将容易出现溜钩，因此变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生" 过流" 而跳闸的误动作。

防止溜钩现象的方法是利用变频器零速全转矩功能和直流制动励磁功能。零速全转矩功能，即变频器可以在速度为零的状态下，保持电动机有足够大的转矩，从而保证起重设备在速度为零时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，以防止溜钩的发生。直流制动励磁功能，即变频器在起动之前自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的起动转矩，维持重物在空中的停止状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会发生溜钩。

3系统硬件配臵

梅钢冷轧桥式起重机上应用的ACS800变频器调速系统由电控柜，大小车变频控制柜，起升变频控制柜，联动控制台等组成。主起升采用1台ACC800变频器驱动1台起升专用电动

机，并在电动机轴尾安装1台速度编码器，做速度反馈用。

该速度编码器用来提高低速状态下电动机模型的速度和转矩计算精度，保证转矩验证，开闭闸等功能。主起升采用斩波器加制动电阻实现制动功能，斩波器与制动电阻串联后接入变频器整桥与逆变桥之间的直流回路中，并由变频器根据中间直流回路电压高低控制斩波器接通与否（即控制制动电阻的投切）。变频器配有RPBA201接口卡件，提供标准的Profibus2DP 现场总线接口，用于与PLC 通信控制，并接收PLC 发来的开，停车命令和速度设定值等控制参数。

4起升变频器功能参数设臵

ABB 变频器在出厂时，所有功能码都已设臵。

但是，起重机变频调速系统的要求与工厂设定值不尽相同，所以，ACC800中一些重要的功能参数需要重新设定。

（1）起动数据（参数组99）

参数99102（用于提升类传动，但不包括主/从总线通信功能）：CRANE ；参数99104（电动机控制模式）：DTC （直接转矩控制）；参数99105～99109（电动机常规铭牌参数）：按照电动机的铭牌参数输入。

（2）数字输入（参数组10）

参数10101～10113（数字输入接口预臵参数）：按照变频器外围接口定义进行设臵，限于篇幅，不再赘述。

（3）限幅（参数组20）

参数20101（运行范围的最小速度）：-1000 r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20102（运行范围的最大速度）：1000r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20103（最大输出电流）：120%；参数20104（最大正输出转矩）：150%；参数20104（最大负输出转矩）：-150%；参数20106（直流过压控

制器参数）：OFF （本例中ACC800变频器使用了动力制动方式，此参数设为OFF 后，制动斩波器才能投入运行）。

（4）脉冲编码器（参数组50）

参数50101（脉冲编码器每转脉冲数）：1024；参数50103（编码器故障）：FAULT （如果监测到编码器故障或编码器通信失败时，ACC800变频器显示故障并停机）。

（5）提升机（参数组64）

参数64101（独立运行选择）：FALSE ；64103（高速值1）：98%；64106（给定曲线形状）：0（直线）；参数64110（控制类型选择）：FBJOYSTICK. （6）逻辑处理器（参数组65）

参数65101（电动机停止后是否保持电动机磁场选择）：TRUE （在电动机停止后保持电动机磁场为"ON" ）；参数65102（ON 脉冲延时时间）：5s. （7）转矩验证（参数组66）

参数66101（转矩验证选择）：TRUE （转矩验证有效，要求有脉冲编码器）。

（8）机械制动控制（参数组67）

参数67106（相对零速值）：3%；参数67109（起动转矩选择器）：AUTOTQMEM （自动转矩记忆）。

（9）给定处理器（参数组69）

参数69101（对应100%给定设臵电动机速度）：980r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数69102（正向加速时间）：3s ；参数69103（反向加速时间）：3s ；参数69104（正向减速时间）：3s ；参数69105（反向减速时间）：3s. （10）可选模块（参数组98）

参数98101（脉冲编码器模块选择）：RTAC2 SLOT2（脉冲编码器模块类型为RTAC ，连接接口为传动控制单元的选件插槽2）；参数98102（通信模块选择）：FIELDBUS （激活外部串

行通信并选择外部串行通信接口）。

5试运行

变频调速系统的功能参数设定完后，就可进行系统试运行。应先在变频器操作盘上进行速度给定，手动起动变频器，让起升电动机空载运转一段时间，并且这种试运行可以在5，10，15，20，25，35，50Hz 等几个频率点进行，注意观察电动机的运转方向是否正确，转速是否平稳，显示数据是否正确，温升是否正常，加减速是否平滑等

。单台变频器试运行正确后，再接入脉冲编码器模块进行速度闭环调试，试运行起升机构变频调速系统。

起升变频器手动运行无误后，就可接入PLC 控制系统，进行整机联调。整机联调中，关键要注意观察变频器起动与停止时，主起升机械制动器的开闭反应是否快速，钩头是否存在溜钩现象等。

其次还要注意观察钩头在下降过程中，制动单元和制动电阻投运后，其温升是否正常。在重物下放过程中，重物的势能会释放出来，此时电动机将工作在反向发电状态。在钩头下降过程中，电动机通过逆变桥向变频器中间直流回路充电，当直流回路的电压高于变频器系统设定值时，变频器控制斩波器接通，进而使制动电阻投入工作，以消耗变频器中间直流回路多余的电能，确保变频器中间直流回路电压稳定在一个特定电压范围内。