变频器的原理

果橙周六十月 08, 2011 10:23 pm

1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
　　　　*1: r/min
　　　　电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.
　　　　例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min]
　　　　 4极电机 50Hz 1500 [r/min]
　　　　
　　　　$电机的旋转速度同频率成比例
　　　　本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。
　　　　感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。　　由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。
　　　　另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。
　　　　因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。
　　　　 n = 60f/p
　　　　n: 同步速度
　　　　f: 电源频率
　　　　p: 电机极对数
　　
　　$ 改变频率和电压是最优的电机控制方法
　　　　如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。
　　输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。
　　　　例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V
　　
　　2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？
　　　　*1: 工频电源
　　　　由电网提供的动力电源（商用电源）
　　　　*2: 起动电流
　　　　当电机开始运转时，变频器的输出电流
　　　　------变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动------
　　　　电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。
　　　　通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。
　　　　通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
　　
　　3. -----当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低-----
　　　　通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe)
　　　　变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
　　　　当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。
　　　　举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。
　　　　因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)
　　
　　4. 变频器50Hz以上的应用情况
　　　　大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的.
　　如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上
　　　　当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.
　　　　这时的转矩情况怎样呢?
　　　　因为P=wT (w:角速度, T:转矩). 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减小.　　
　　　　我们还可以再换一个角度来看:
　　　　电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感应电势)
　　　　可以看出, U,I不变时, E也不变.
　　　　而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当f由50-->60Hz时, X会相应减小
　　　　对于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.
　　　　同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变)
　　　　结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机的输出转矩会减小.
　　　　　　
　　5. 其他和输出转矩有关的因素
　　发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。
　　载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。
　　环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.
　　　　海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.
　　
　　6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？
　　　　*1: 转矩提升
　　　　此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。　　
　　　　$ 改善电机低速输出转矩不足的技术
　　　　使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。
　　　　对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。
　　　　转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。
　　　　 "矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。
　　　　 "矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。

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