变频器工作原理

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变频器工作原理

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
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]
　　　结论：电机的旋转速度同频率成比例
. j; U# v# `* ^, q　　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。
6 [( x) f6 N) ~* N5 l　　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。
! w! V: E! T/ J. X4 T' z6 j9 `" v　　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。
" m; d% d* B3 h5 g8 G　　n = 60f/p
　　n: 同步速度
　　f: 电源频率
$ V, n, I. |% K6 v( R& _* V　　p: 电机极对数
- ^0 N# }4 Q/ n　　结论：改变频率和电压是最优的电机控制方法
5 {/ h' e$ ?2 r! {2 _! B' O　　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？
) p0 {# \1 O. h4 e" G. X6 [. [! U- v　　　　1: 工频电源
　　　　由电网提供的动力电源（商用电源）
/ K% m2 K, r3 p' S+ k1 x* E　　　　2: 起动电流
　　　　当电机开始运转时，变频器的输出电流
& a- T$ C$ s3 @9 V/ f* k　　　　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。
( X. D& [1 P* Q, E6 T$ ~　　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。
* J8 h+ n/ h8 _　　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
8 d  L6 ~4 v, Y7 a9 L　　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。
' \% ?! m4 h. {4 q　　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。
! n* a' |$ a! Q- p; ^　　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。
+ J2 @8 e$ a+ k* m, ]) E1 E　　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.
) e4 ~0 M' t0 [- s　　这时的转矩情况怎样呢?
& }8 L% k2 F$ w1 s7 o3 N+ b　　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。　　
, b( d& |% I( p" k　　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)
: z% S/ ]$ T$ q2 o0 M' B# C　　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.
3 m. J4 E4 H& O; E" n- X+ t　　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.
! k: m$ X2 a7 a5. 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。
9 Q) m- W9 r% @- T! r/ B) {　　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？
' U! ~5 j7 F6 T8 z6 @& C5 `) y　　*1: 转矩提升
5 m& N+ v; {* l: P　　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）。
% w, J2 w% |8 y$ X' ]8 s! @　　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）。
" Z. @" X, I3 S　　"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。
变频器结构
. Y4 {$ N+ P0 ]$ F变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
, x4 E0 B; i2 l. G    1. 整流器 ，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。
    2. 中间电路，有以下三种作用：
% e( O) Q, \1 J  ^( s! J    a. 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。
& w3 _$ W( p) O6 c$ C5 z, H/ B4 y4 U    b. 通过开关电源为各个控制线路供电。
/ `* c# s) x, y# c. g$ E- j6 E    c. 可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。
    3. 逆变器 ，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。
    4. 控制电路 ，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：
% V: z0 f8 z. A" _    a. 利用信号来开关逆变器的半导体器件。
9 N& R; j6 T" m4 Z+ }5 m    b. 提供操作变频器的各种控制信号。
    c. 监视变频器的工作状态，提供保护功能。

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变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

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