变频器的载波频率

    目前中小功率的变频电路几乎都采用PWM技术，PWM变频电路也可分为电压型和电流型两种。根据正弦波的频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波的各脉冲宽度和间隔，据此控制变频电路中开关器件的通断，就可得到所需的PWM波形。当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，其结果都要变化。通常采用等腰三角波或锯齿波作为PWM波的载波，其中等腰三角波的应用最多，其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点处控制开关器件的通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。各脉冲的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交点决定的，在这里正弦波称为调制波，三角波称为载波。三角波的频率称为载波频率，用fe表示。载波频率设置得越高，其高次谐波分量越大，将导致电动机、电缆和变频器发热。    在PWM电压脉冲序列的作用下，变频器输出的电流波形是脉动的，脉动频率与载波频率一致。脉动电流将使电动机铁芯的硅钢片之间产生电磁力并引起振动，产生电磁噪声。    变频器的运行频率越低，则电压波的平均占空比越小，电流高次谐波成分越大，因此，应适当提高载波频率，以改善变频器输出电流的波形。变频器逆变桥同一桥臂的上下两个开关管不停地交替导通，为了保证在交替导通时，只有在一个开关管完全截止的情况下，另一个开关管才开始导通，在两个开关管交替导通过程中必须设有一个死区时间，以防止两个开关管直通短路。在逆变桥中，上下两个开关管在交替导通过程中的死区时间越短，载波频率越高，死区时间过短易导致桥臂“直通”而损坏变频器：变频器载波频率与死区时间的关系如下。    ①变频器的输出电流越大，每次两个开关管交替导通所要求的死区时间也越长。    ②载波频率越高，则死区时间的累计值越大，变频器实际工作的时间越短，变频器的平均输出电流越小，输出功率越小。    载波频率对输出电流的影响如图5-3所示，载波频率越高，变频器输出端线路之间以及线路与地之间的分布电容的容抗越小，由高频脉冲电压引起的漏电流越大。载波频率对电气设备的影响表现在以下几个方面。
    图5-3    载波频率对输出电流的影响    ①当电动机与变频器之间的距离较远时，则载波频率越高，由线路分布电容引起的不良效应（如电动机侧电压升高、电动机振动等）越大。    ②载波频率越高，其高频电压通过静电感应对附近的其他电气设备的干扰也越严重。高频电流产生的高频磁场将通过电磁感应对其他电气设备的控制线路产生干扰，高频电磁场具有强大的辐射能量，使其他电气设备尤其是通信设备受到干扰。    ③载波频率设置得越高，其高次谐波分量越大，这和电缆长度、电动机发热、电缆发热、变频器发热等因素是密切相关的。电动机定子绕组的集肤效应越严重，有效电阻值及其损失增大，电动机的输出功率越小。    目前低电压通用型变频器的逆变回路大多采用IGBT器件构成，IGBT器件具有开关速度快、损耗小、触发电路简单等优点。用于变频器上的IGBT器件，其载波频率一般设置为0.75～15kHz，通常这个数值是可调的。设置值小时，输出电流波形变差（高次谐波分量增加），电动机的有效转矩减小，损耗增加，温度升高；设置值大时，变频器自身损耗增加，温度上升，同时变频器输出电压的变化率du/dt增大。载波频率对变频器运行的影响见表5-1。    表5-1    载波频率对变频器运行的影响
    变频器输出电压的变化率du/dt对电动机的绝缘有很大影响。du/dt主要取决于两个方面：一是电压跳变台阶的幅值，它与变频器的电压等级和主电路结构有关；二是逆变器功率器件的开关速度，开关速度越高，du/dt越大。    许多品牌的低压变频器通常在出厂时将此载波频率参数设置为最大。然而，过高的载波频率不一定适合每个负载情况，因为现场使用的低压变频器属于普通的二电平电压型变频器，相电压跳变台阶较大，达到直流母线电压，变频器输出多数未使用输出滤波器，且变频器至电动机的距离较长，大都在100m左右。由于线路分布电感和分布电容的存在，会产生行波反射放大作用，在参数适合时，加到电动机绕组上的电压会成倍增加，对电动机的绝缘（特别是F级绝缘以下的老式电动机）构成很大威胁，甚至会烧毁电动机。因此，在现场一定要对这个参数进行合理设置，确保系统高效安全运行。