如何正确选择变频器开关频率值?变频器开关频率对设备的影响

变频器大多是采用PWM调制的形式进行变频，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。开关频率越低或者设置的不好，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。因此在变频器使用过程中如何来正确选择变频器的开关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分析并且正确选择开关频率值。
一、开关频率与变频器功耗
　　功率模块IGBT的功率损耗与开关频率有关，且随开关频率的提高、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。开关频率越大，变频器的损耗越大，输出功率越小。如果环境温度高，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。
二、开关频率对变频器输出电流的影响
　　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，通过电机绕组，形成呈正弦波的电流波形。那么开关频率的大小、直接影响电流波形的好坏程度，以及干扰的大小，而且开关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开关频率值的大小后，然后再考虑附加各种抑制谐波装置，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，切不可本未倒置来处理问题，这是很重要的原则。
　　当开关频率高时，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，当开关频率过低时，电机有效转矩减小，损耗加大，温度增高的缺点，反之开关频率过高时，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。
　　1) 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，即开关频率越高；
　　2) 电流波形的平滑性越好；
　　3) 开关频率越高，变频器允许输出的电流越小；
　　4) 开关频率越高，布线电容的容抗越小(因为Xc=1/2πfC)，由高频脉冲引起的漏电流越大。
三、开关频率对电机的影响
　　开关频率越高，电机的振动越小，运行噪音越小，电机发热也越少。但开关频率越高，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。
1.开关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) 噪音与开关频率大小有直接关系，当开关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。
2.开关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，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。
3.开关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，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，势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，要尽可能使开关频率值大些，对运行有利，或选用变频电动机，具体解决办法是:
　　1) 尽可能选用较高开关频率，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、开关频率几方面统筹的合理解决。