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變頻器的工作原理

發(fā)布時間：2015-03-18 08:42:13瀏覽次數(shù)：1821
     變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。
    1. 電機的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？
    *1: r/min
    電機旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm.
    例如：2極電機 50Hz 3000 [r/min]
    4極電機 50Hz 1500 [r/min]
    　　　　
    電機的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例
    本文中所指的電機為感應式交流電機，在工業(yè)中所使用的大部分電機均為此類型電機。 感應式交流電機（以后簡稱為電機）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機的極數(shù)和頻率?！　?由電機的工作原理決定電機的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以一般不適和通過改變該值來調(diào)整電機的速度。
    另外，頻率能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。
    因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機調(diào)速設備的優(yōu)選設備。
    n = 60f/p
    n: 同步速度
    f: 電源頻率
    p: 電機極對數(shù)
    　　
    改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法
    如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時會使電機出于過電壓（過勵磁），導致電機可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。
    輸出頻率在額定頻率以上時，電壓卻不可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機的額定電壓。
    例如：為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半，把變頻器的輸出頻率從50Hz改變到25Hz，這時變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V
    　　
    2. 當電機的旋轉(zhuǎn)速度（頻率）改變時，其輸出轉(zhuǎn)矩會怎樣？
    *1: 工頻電源
    由電網(wǎng)提供的動力電源（商用電源）
    *2: 起動電流
    當電機開始運轉(zhuǎn)時，變頻器的輸出電流
    ------變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動------
    電機在工頻電源供電時起動和加速沖擊很大，而當使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動電流。而當使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的，所以電機起動電流和沖擊要小些。
    通常，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小（速度降低）而減小。減小的實際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊中會給出說明。
    通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
    　　
    3. -----當變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低-----
    通常的電機是按50Hz電壓設計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速. (T=Te, P<=Pe)
    變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關系下降。
    當電機以大于50Hz頻率速度運行時，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
    舉例，電機在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。
    因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速. (P=Ue*Ie)
    　　
    4. 變頻器50Hz以上的應用情況
    大家知道, 對一個特定的電機來說, 其額定電壓和額定電流是不變的.
    如變頻器和電機額定值都是: 15kW/380V/30A, 電機可以工作在50Hz以上
    當轉(zhuǎn)速為50Hz時, 變頻器的輸出電壓為380V, 電流為30A. 這時如果增大輸出頻率到60Hz, 變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A. 很顯然輸出功率不變. 所以我們稱之為恒功率調(diào)速.
    這時的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢?
    因為P=wT (w:角速度, T:轉(zhuǎn)矩). 因為P不變, w增加了, 所以轉(zhuǎn)矩會相應減小.　　
    我們還可以再換一個角度來看:
    電機的定子電壓 U = E + I*R (I為電流, R為電子電阻, E為感應電勢)
    可以看出, U,I不變時, E也不變.
    而E = k*f*X, (k:常數(shù), f: 頻率, X:磁通), 所以當f由50-->60Hz時, X會相應減小
    對于電機來說, T=K*I*X, (K:常數(shù), I:電流, X:磁通), 因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小.
    同時, 小于50Hz時, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不變時, 磁通(X)為常數(shù). 轉(zhuǎn)矩T和電流成正比. 這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載(轉(zhuǎn)矩)能力. 并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(額定電流不變-->最大轉(zhuǎn)矩不變)
    結(jié)論: 當變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時, 電機的輸出轉(zhuǎn)矩會減小.
    　　　　　　
    5. 其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關的因素
    發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力，從而影響變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩能力。
    載波頻率: 一般變頻器所標的額定電流都是以最高載波頻率, 最高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數(shù)值. 降低載波頻率, 電機的電流不會受到影響。但元器件的發(fā)熱會減小。
    環(huán)境溫度：就象不會因為檢測到周圍溫度比較低時就增大變頻器保護電流值.
    海拔高度: 海拔高度增加, 對散熱和絕緣性能都有影響.一般1000m以下可以不考慮. 以上每1000米降容5%就可以了.
    　　
    6. 矢量控制是怎樣改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩能力的？
    *1: 轉(zhuǎn)矩提升
    此功能增加變頻器的輸出電壓（主要是低頻時），以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩損失，從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩?！　?/span>
    改善電機低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術
    使用"矢量控制"，可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz（對4極電機，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150％）。
    對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做"轉(zhuǎn)矩提升"（*1）。
    轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應的提高。 因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵磁分量）。
    "矢量控制"把電機的電流值進行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數(shù)值。
    "矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。
   
   
    變頻器基礎原理知識
   
    1.變頻器基礎
   
    1: VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的縮寫，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說的變壓變頻。
   
    2: CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的縮寫，意為恒電壓、恒頻率，也就是人們所說的恒壓恒頻。
   
    我們使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95％左右。
   
    無論是用于家庭還是用于工廠，單相交流電源和三相交流電源，其電壓和頻率均按各國的規(guī)定有一定的標準，如我國大陸規(guī)定，直接用戶單相交流電為220V，三相交流電線電壓為380V，頻率為50Hz，其它國家的電源電壓和頻率可能于我國的電壓和頻率不同，如有單相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，標準的電壓和頻率的交流供電電源叫工頻交流電。
   
    通常，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。
   
    為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。
   
    把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術語為“inverter”(逆變器)。
   
    一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。
   
    變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。
   
    對于主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。
   
    由于變頻器設備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。
   
    變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中，不僅有電機（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。
   
    用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。
   
    汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。
   
    變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。
   
    2. 電機的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？
   
    n = 60f/p(1-s) 　n: 電機的轉(zhuǎn)速 f: 電源頻率 p: 電機磁極對數(shù) s：電機的轉(zhuǎn)差率
   
    電機的轉(zhuǎn)速 = 60(秒)＊頻率（Hz)/電機的磁極對數(shù) - 電機的轉(zhuǎn)差率
   
    電機旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，rpm/min也可表示為rpm 
   
    電機的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例 同步電機的轉(zhuǎn)差矩為0,同步電機的轉(zhuǎn)速 = 60(秒)*頻率(Hz)／電機的磁極對數(shù)
   
    異步的轉(zhuǎn)速比同步電機的轉(zhuǎn)速低。
   
    例如：4極三相步電機 60Hz時 低于 1,800 [r/min]  4極三相異步電機 50Hz時低于 1,500 [r/min]
   
    本文中所指的電機為感應式交流電機，在工業(yè)領域所使用的大部分電機均為此類型電機。
   
    感應式交流電機（以后簡稱為電機）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機的極對數(shù)和頻率。
   
    由電機的工作原理決定電機的磁極對數(shù)是固定不變的。由于電機的磁極對數(shù)1個磁極對數(shù)等于2極，電機的極數(shù)不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變該值來調(diào)整電機的速度。
   
    另外，頻率是電機供電電源的電信號，所以該值能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。
   
    因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機調(diào)速設備的優(yōu)選設備。 
   
    改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法
   
    如果僅改變頻率，電機將被燒壞。特別是當頻率降低時，該問題就非常突出。為了防止電機燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。
   
    例如：為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從400V改變到約200V。
   
    如果要正確的使用變頻器, 必須認真地考慮散熱的問題。
   
    變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)的下降。環(huán)境溫度升高10度，變頻器使用壽命減半。 因此，我們要重視散熱問題?。?/span>
   
    在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響
   
    通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發(fā)熱量大概是多少. 可以用以下公式估算:
   
    發(fā)熱量的近似值＝ 變頻器容量（KW）×55 [W] 在這里, 如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負載為準的 (過流能力150% * 60s) 如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面, 這時發(fā)熱量會更大一些。 電抗器安裝在變頻器側(cè)面或測上方比較好。
   
    這時可以用估算: 變頻器容量（KW）×60 [W] 因為各變頻器廠家的硬件都差不多, 所以上式可以針對各品牌的產(chǎn)品. 注意： 如果有制動電阻的話，因為制動電阻的散熱量很大， 因此最好安裝位置最好和變頻器隔離開， 如裝在柜子上面或旁邊等。
   
    那么, 怎樣采能降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量呢?
   
    當變頻器安裝在控制機柜中時，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。
   
    根據(jù)機柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當?shù)卦黾訖C柜的尺寸。因此，要使控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要使機柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少。
   
    如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面，將會使變頻器有70％的發(fā)熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量，所以對大容量變頻器更加有效。
   
    還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果也很好。
   
    變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的，橫著放散熱會變差的!
   
    關于冷卻風扇
   
    一般功率稍微大一點的變頻器， 都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進入控制柜。 注意控制柜和變頻器上的風扇都是要的，不能誰替代誰。其他關于散熱的問題
   
    1、在海拔高于1000m的地方，因為空氣密度降低，因此應加大柜子的冷卻風量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應考慮降容，1000m每-5%。但由于實際上因為設計上變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大， 所以也要看具體應用。 比方說在1500m的地方，但是周期性負載，如電梯，就不必要降容。
   
    2、 開關頻率：變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT， IGBT的發(fā)熱有集中在開和關的瞬間。 因此開關頻率高時自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。 有的廠家宣稱降低開關頻率可以擴容， 就是這個道理。
   
    矢量控制是怎樣使電機具有大的轉(zhuǎn)矩的？
   
    1: 轉(zhuǎn)矩提升
   
    此功能增加變頻器的輸出電壓，以使電機的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比的關系增加，從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩。  改善電機低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術
   
    使用"矢量控制"，可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz（對4極電機，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150％）。
   
    對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做“轉(zhuǎn)矩提升”。
   
    轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應的提高。 因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵磁分量）。
   
    “矢量控制”把電機的電流值進行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數(shù)值。  "矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。
   
    變頻器制動的情況
   
    1: 制動的概念
   
    指電能從電機側(cè)流到變頻器側(cè)（或供電電源側(cè)）,這時電機的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速。
   
    負載的能量分為動能和勢能. 動能(由速度和重量確定其大小）隨著物體的運動而累積。當動能減為零時，該事物就處在停止狀態(tài)。
   
    機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。
   
    對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低。這時會產(chǎn)生制動過程. 由制動產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)。這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗。
   
    在用于提升類負載,在下降時, 能量(勢能)也要返回到變頻器(或電源)側(cè),進行制動。
   
    這種操作方法被稱作“再生制動”，而該方法可應用于變頻器制動。
   
    在減速期間，產(chǎn)生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)的方法叫做“功率返回再生方法”。在實際中，這種應用需要“能量回饋單元”選件。
   
    2：怎樣提高制動能力？
   
    為了用散熱來消耗再生功率，需要在變頻器側(cè)安裝制動電阻。
   
    為了改善制動能力，不能期望靠增加變頻器的容量來解決問題。請選用“制動電阻”、“制動單元”或“功率再生變換器”等選件來改善變頻器的制動容量。
   
    3. 當電機的旋轉(zhuǎn)速度改變時，其輸出轉(zhuǎn)矩會怎樣？
   
    變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。
   
    我們經(jīng)常聽到下面的說法：“電機在工頻電源供電時，電機的起動和加速沖擊很大，而當使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些”。如果用大的電壓和頻率起動電機，例如使用工頻電網(wǎng)直接供電，就會產(chǎn)生一個大的起動沖擊（大的起動電流 ）。而當使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的，所以電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要小于工頻電網(wǎng)供電的轉(zhuǎn)矩值。所以變頻器驅(qū)動的電機起動電流要小些。
   
    通常，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小（速度降低）而減些減小的實際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊中會給出說明。
   
    通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
   
    當變頻器調(diào)速到大于額定頻率20％時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
   
    通常的電機是按照額定頻率電壓設計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速. (T=Te, P<=Pe) 變頻器輸出頻率大于額定頻率時（如我國的電機大于50Hz），電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關系下降。
   
    當電機以大于額定頻率20％速度運行時，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
   
    舉例，額定頻率為50Hz的電機在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速. (P=Ue*Ie)
 
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