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變頻器工作原理
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、 VVVF：改變電壓、改變頻率(Variable Voltage and Variable Frequency)的縮寫(xiě)。
2、 CVCF： 恒電壓、恒頻率(Constant Voltage and Constant Frequency)的縮寫(xiě)。
各國(guó)使用的交流供電電源，無(wú)論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均為200V/60Hz(50Hz)或100V/60Hz(50Hz)，等等。
通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱(chēng)作”變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電(DC)。把直流電(DC)變換為交流電(AC)的裝置，其科學(xué)術(shù)語(yǔ)為“inverter”(逆變器)。由于變頻器設(shè)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(jī)(例如空調(diào)等)，還有熒光燈等產(chǎn)品。
用于電機(jī)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(chē)上使用的由電池(直流電)產(chǎn)生交流電的設(shè)備也以“inverter”的名稱(chēng)進(jìn)行出售。變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如計(jì)算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動(dòng)及電源的瞬間斷電。
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) 50Hz 3000 [r/min]。
4極電機(jī) 50Hz 1500 [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(lèi)型電機(jī)。感應(yīng)式交流電機(jī)(以后簡(jiǎn)稱(chēng)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，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(chēng)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(chēng)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(chēng)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))?？梢钥闯觯?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(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(額定電流不變-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)的額定電流都是以載波頻率, 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?chē)鷾囟缺容^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?
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(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。
7.變頻器制動(dòng)的情況
1)制動(dòng)的概念：指電能從電機(jī)側(cè)流到變頻器側(cè)(或供電電源側(cè))，這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速。負(fù)載的能量分為動(dòng)能和勢(shì)能。 動(dòng)能((由速度和重量確定其大小)隨著物體的運(yùn)動(dòng)而累積。當(dāng)動(dòng)能減為零時(shí)，該事物就處在停止?fàn)顟B(tài)。機(jī)械抱閘裝置的方法是用制動(dòng)裝置把物體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。
對(duì)于變頻器，如果輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)過(guò)程，由制動(dòng)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(lèi)負(fù)載,在下降時(shí)， 能量(勢(shì)能)也要返回到變頻器(或電源)側(cè)，進(jìn)行制動(dòng)。