变频器载波频率的作用和影响浅析

【摘 要】随着变频器在工业生产和日常生活中越来越广泛的应用，对变频器科学地安装调试以及日常维护也越来越普遍。充分理解并正确设置变频器的运行参数，对变频器和负载设备至关重要。载波频率是变频器中非常关键而容易被忽略的一个重要参数。载波频率对变频器自身元器件的功耗和发热以及负载特性的输出影响很大，同时对电机负载的运行、电缆绝缘、周边设备的干扰有着巨大影响。

【关键词】变频器；载波频率；IGBT；脉宽调制

1.变频器的基本原理

变频器是一种综合了电力电子技术、自动控制技术、电机控制理论、通讯技术等多学科的高科技电子产品。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将固定频率的电源变为频率和电压可调的电能控制装置。主要有交-直-交和交-交变频器两大类。目前变频器主要采用交―直―交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机等交流负载。

变频器的电路主要分为主电路和控制电路部分。其中主电路一般由整流、中间直流环节、逆变三部分组成（如图1）。将工频电源变换为直流的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的同步转速n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。

2.变频器运行中载波频率的作用和影响

目前变频器大多是采用脉宽调制的形式进行变频的。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，也就是开关频率或载波频率。载波频率的存在为变频器输出不同电压和频率的波形提供了基础。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，但是对开关元件要求也越高，对其它设备的干扰也变 大。载波频率偏低或者设置的不好，电机运行中就会发出难听的噪音甚至抖动。通过调节载波频率可以实现系统的噪音最小，波形的平滑性最好，同时干扰也较小。实际运行中变频器载波频率影响着变频器以及负载运行状态，科学合理设置载波频率在调试工作中显得尤为重要。

2.1载波频率过高增加变频器功耗

变频器中目前主要应用功率模块IGBT（IGCT），它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，二则使功率模块发热增加，对运行不利。载波频率越大，变频器的损耗越大，输出功率越小。有些变频器就因载波频率设置不当引起运行中元件温度过高保护停机。如果环境温度高，加上模块功耗大，逆变桥上下两个逆变管在交替导通过程中的死区将变小，严重时可导致桥臂短路而损坏变频器。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。

2.2载波频率直接影响变频器输出电流平滑程度

变频器的逆变部分是由IGBT通过正弦脉宽调制（SPWM）后，通过电机绕组，形成呈正弦波的电流波形。那么载波频率的大小直接影响输出电流波形的好坏，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的大小，然后再考虑附加电抗器、滤波器等各种抑制谐波装置，以及采取正确合理地安装布线、接地等措施。当载波频率高时，电流波形正弦性好，而且平滑。运行频率越高，则电压波的占空比越大，电流高次谐波成份越小，即载波频率越高，电流波形的平滑性越好；载波频率越高，变频器允许输出的电流越小；载波频率越高，布线电容的容抗越小，由高频脉冲引起的漏电流越大。

2.3载波频率对电动机运行的影响

人们在变频器实际应用中发现载波频率越高，电机的振动越小，运行噪音越小，电机发热也越少。但载波频率越高，谐波电流的频率也越高，电机定子的集肤效应也越严重，电机损耗越大，输出功率越小，同时对电机绝缘伤害越大。

2.3.1载波频率对电动机噪音和振动的影响

电动机的电磁噪音和使用变频器及其参数设置密切相关。变频器的输出电压、电流中都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。由于变频器输出的较低的高次谐波分量使电机静止部分铁芯、机壳、轴承座等的谐振与转动部分转子的固有频率谐振，在固有频率附近的噪音被放大，电机振动分量增加，高次谐波产生脉动转矩的直接影响也增大振动。实践证明电机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和振动较小。工作中应尽量避免载波频率引起的振动和电机固有频率相同而引起共振。

2.3.2载波频率对电动机的发热的影响

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，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，这些势必造成输出电流的增加，幅度可达10%。而发热与电流平方成正比，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。常用解决办法是：尽可能选用较高载波频率，以改善输出电流波形，降低高次谐波分量；加装输入、输出电抗器或有源滤波器等；选用变频电动机；变频器的正常工作频率如果低于20Hz，而生产设备要求低速且有较大的负荷运行时，电动机输出轴后可再加装一级减速器，使变频器工作频率提高，且增大了输出转矩能力，以统一解决负荷的要求和变频器的输出。实际工作中需要结合电动机的振动、噪音、发热、工作频率、载波频率几方面统筹的合理解决。

2.3.3载波频率对电动机和电缆的绝缘影响

变频器的载波频率越高，输出电流波形越接近正弦波，这会降低电机的运行温度，从而延长绝缘的寿命。但是，更高的载波频率意味着每秒钟产生的尖峰电压数量更多，对电机的冲击的次数更多。图2给出了绝缘寿命随着电缆长度与载波频率的变化规律。从图中可知，对于200英尺长的电缆，当载波频率从3kHz提高到12kHz时，绝缘的寿命从大约8万小时降低到2万小时。 试验研究表明，很高的电压上升率在电动机绕组上产生不均匀的电压分布，随着变频器与电动机之间电缆长度的增加，在电动机接线端子上将产生近2倍高频振荡的过电压，而且电缆越长，过电压的峰值越大，长时间重复性的过电压的作用将使电动机绕组匝间绝缘过早破坏。在文献[1]中，也阐述了变频器开关器件较高的开关频率会造成上升沿时间很短，电力晶体管（GTR）和IGBT通常这个时间小于0.1μS，GTO常处于2-10μS，这样使电机在很短的时间内承受很高的峰值电压（如图3）。有些电机制造商给出了可以接受的上升时间，一般希望上升时间大约为5μS。而且过电压和入射电压、反射电压都在上升时间内同时急剧增加，这对电机来讲，长时间的作用会损坏电机。PWM驱动电机的输出电压幅值和频率是通过控制逆变器件开关状态来改变的，高的开关频率最明显的优点是减少谐波，可以减少输出滤波器的容量，但过快的电压变化能够引起严重的绝缘问题，对于每个脉冲的前沿和后沿在短时间内都有高频衰减振荡，而且峰值电压的85%都降落在第一个线圈上的第一匝，易引起匝间故障。

2.4载波频率对电磁干扰的影响

变频器载波频率越高，高频电压通过静电感应，电磁感应，电磁辐射等对周围电子设备的干扰也越严重。如果变频器附件安装有对频率和电磁干扰敏感的元器件时要充分考虑载波频率设置或采取必要措施防止干扰的发生。

3.结语

变频器载波频率直接关系到变频器的工作特性，载波频率设置的高低直接关系到变频器自身和负载以及周边设备运行稳定性。科学合理地根据负载特性，如电缆长度、有无电抗器、周边电子设备分布等现场安装条件设置变频器载波频率大小，能够有效增强变频调速系统运行稳定性，避免载波频率设置增加对系统薄弱环节的影响，从而规避风险延长系统中各设备运行时间。本文就载波频率的基本作用和影响进行了分析，对变频器调试有一定帮助。当然不同厂家不同型号的变频器，具有不同载波频率调整范围，调试中要根据具体情况综合分析，希望大家能够充分了解载波频率的影响并科学地调试使用变频器，为设备长期稳定运行提供保障。 [科]

【参考文献】

[1]Erik Persson，Transient Effects in Application of PWM Inverters to Induction MotorsIEEE Transaction on industry applications，VOL.28，NO.5，1095-1101.

[2]王兆义.变频器应用 机械工业出版社出版，2009，02，01.

[3]李旭，谢运祥.PWM技术实现方法[J].人民邮电，2005，4.

[4]陈坚.电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]变频器的载波频率的影响及设定标准，百度工程科技信息和通讯，2011，05，09.

[6]PF700变频器用户手册，罗克韦尔自动化有限公司.