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變頻器工作原理介紹
點(diǎn)擊次數(shù)：1530 發(fā)布時(shí)間：2016-12-1
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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。
1.電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？
*1:r/min
電機(jī)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(jī)50Hz3000[r/min]
4極電機(jī)50Hz1500[r/min]
結(jié)論：電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例
本文中所指的電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，在工業(yè)中所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡(jiǎn)稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個(gè)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(guò)改變?cè)撝祦?lái)調(diào)整電機(jī)的速度。
另外，頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)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(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。
n=60f/p
n:同步速度
f:電源頻率
p:電機(jī)極對(duì)數(shù)
結(jié)論：改變頻率和電壓是*的電機(jī)控制方法
如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)出于過(guò)電壓（過(guò)勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時(shí)，電壓卻不可以繼續(xù)增加，zui高只能是等于電機(jī)的額定電壓。
例如：為了使電機(jī)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(shí)變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V
2.當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（頻率）改變時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)怎樣？
*1:工頻電源
由電網(wǎng)提供的動(dòng)力電源（商用電源）
*2:起動(dòng)電流
當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器的輸出電流
變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和zui大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動(dòng)
電機(jī)在工頻電源供電時(shí)起動(dòng)和加速?zèng)_擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)起動(dòng)電流。而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動(dòng)電流和沖擊要小些。
通常，電機(jī)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(shí)際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊(cè)中會(huì)給出說(shuō)明。
通過(guò)使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
3.當(dāng)變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計(jì)制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個(gè)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(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。
當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
舉例，電機(jī)在100Hz時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時(shí)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(yīng)用情況
大家知道,對(duì)一個(gè)特定的電機(jī)來(lái)說(shuō),其額定電壓和額定電流是不變的。
如變頻器和電機(jī)額定值都是:15kW/380V/30A,電機(jī)可以工作在50Hz以上。
當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時(shí),變頻器的輸出電壓為380V,電流為30A.這時(shí)如果增大輸出頻率到60Hz,變頻器的zui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(shí)的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢?
因?yàn)镻=wT(w:角速度,T:轉(zhuǎn)矩).因?yàn)镻不變,w增加了,所以轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小。
我們還可以再換一個(gè)角度來(lái)看:
電機(jī)的定子電壓U=E+I*R(I為電流,R為電子電阻,E為感應(yīng)電勢(shì))
可以看出,U,I不變時(shí),E也不變.
而E=k*f*X,(k:常數(shù),f:頻率,X:磁通),所以當(dāng)f由50-->60Hz時(shí),X會(huì)相應(yīng)減小
對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō),T=K*I*X,(K:常數(shù),I:電流,X:磁通),因此轉(zhuǎn)矩T會(huì)跟著磁通X減小而減小.
同時(shí),小于50Hz時(shí),由于I*R很小,所以U/f=E/f不變時(shí),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(guò)流能力來(lái)描述其過(guò)載(轉(zhuǎn)矩)能力.并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(額定電流不變-->zui大轉(zhuǎn)矩不變)
結(jié)論:當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時(shí),電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)減小.
5.其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)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(biāo)的額定電流都是以zui高載波頻率,zui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(jī)的電流不會(huì)受到影響。但元器件的發(fā)熱會(huì)減小。
環(huán)境溫度：就象不會(huì)因?yàn)闄z測(cè)到周圍溫度比較低時(shí)就增大變頻器保護(hù)電流值.
海拔高度:海拔高度增加,對(duì)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(jī)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(shí)），以補(bǔ)償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
$改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù)
使用"矢量控制"，可以使電機(jī)在低速,如(無(wú)速度傳感器時(shí))1Hz（對(duì)4極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（zui大約為額定轉(zhuǎn)矩的150％）。
對(duì)于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對(duì)增加，這就導(dǎo)致由于勵(lì)磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個(gè)不足，變頻器中需要通過(guò)提高電壓，來(lái)補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng)的提高。因?yàn)殡姍C(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。
"矢量控制"把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量（如勵(lì)磁分量）的數(shù)值。
"矢量控制"可以通過(guò)對(duì)電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對(duì)改善電機(jī)低速時(shí)溫升也有效。
工業(yè)節(jié)能日漸成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展核心之一。變頻器產(chǎn)品由于具有靈活的調(diào)速功能，在電力節(jié)能領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。從當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)而言，變頻器產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)走調(diào)速節(jié)能的發(fā)展道路。
變頻器是工控系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，安裝在電機(jī)前端以實(shí)現(xiàn)調(diào)速和節(jié)能。高壓變頻器后端主要拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，實(shí)際節(jié)電效果達(dá)30%~60%，未來(lái)該行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展將受益于大中型項(xiàng)目改造;低壓變頻器與控制層和執(zhí)行層設(shè)備共同組成自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其未來(lái)發(fā)展將受益于制造業(yè)“裝備升級(jí)”。
變頻器工業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯十二五明確產(chǎn)業(yè)規(guī)劃
變頻技術(shù)zui先用來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，通過(guò)控制半導(dǎo)體器件的通斷改變輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)后端拖動(dòng)交流電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速及提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，并實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)。
對(duì)比過(guò)去的機(jī)械調(diào)速方式，變頻調(diào)速的范圍寬，可達(dá)到100%~5%;調(diào)控精度高，可達(dá)到±0.5%;由于它是無(wú)極調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)和整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的全自動(dòng)控制，進(jìn)而減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
有關(guān)專家對(duì)比了電氣設(shè)備中幾種主要節(jié)能產(chǎn)品的效果，其中變頻器效率高達(dá)30%~60%，使用時(shí)只需加裝在電機(jī)前端，對(duì)原有設(shè)備改動(dòng)較小。
因此，在“十二五”規(guī)劃提出的制造裝備升級(jí)和工業(yè)節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目中，確立了未來(lái)行業(yè)發(fā)展仍將走“調(diào)速節(jié)能并舉”的路徑。細(xì)分到產(chǎn)品，預(yù)計(jì)低壓變頻器以自動(dòng)化改造和進(jìn)口替代為主線，國(guó)內(nèi)企業(yè)將重點(diǎn)發(fā)展控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù);高壓變頻器依托國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策，下游仍以電力、冶金、水泥等的大型工業(yè)設(shè)備改造為主，競(jìng)爭(zhēng)加劇將刺激高性能產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化提速。