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[學習]變頻器工作/應用原理

　　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]

　　結(jié)論：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)

　　 結(jié)論：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****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****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 UI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--****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。

　　$ 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（****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。

　　1、什么是變頻器？

　　變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

　　2、PWM和PAM的不同點是什么？

　　PWM是英文Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)制)縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。

　　 PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脈沖幅度調(diào)制) 縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。

　　3、電壓型與電流型有什么不同？

　　變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波石電感。

　　4、為什么變頻器的電壓與電流成比例的改變？

　　異 步電動機的轉(zhuǎn)矩是電機的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴重時將燒毀 電機。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種控制方式多用于 風機、泵類節(jié)能型變頻器。

　　5、電動機使用工頻電源驅(qū)動時，電壓下降則電流增加；對于變頻器驅(qū)動，如果頻率下降時電壓也下降，那么電流是否增加？

　　頻率下降（低速）時如果輸出相同的功率則電流增加但在轉(zhuǎn)矩一定的條件下電流幾乎不變。

　　6、采用變頻器運轉(zhuǎn)時，電機的起動電流、起動轉(zhuǎn)矩怎樣？

　　采 用變頻器運轉(zhuǎn)，隨著電機的加速相應提高頻率和電壓，起動電流被限制在150%額定電流以下(根據(jù)機種不同，為125%~200%)。用工頻電源直接起動 時，起動電流為6~7倍，因此，將產(chǎn)生機械電氣上的沖擊。采用變頻器傳動可以平滑地起動(起動時間變長)。起動電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動轉(zhuǎn) 矩為70%~120%額定轉(zhuǎn)矩；對于帶有轉(zhuǎn)矩自動增強功能的變頻器，起動轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負載起動。

　　7、V/f模式是什么意思？

　　頻率下降時電壓V也成比例下降，這個問題已在回答4說明。V與f的比例關系是考慮了電機特性而預先決定的，通常在控制器的存儲裝置（ROM）中存有幾種特性，可以用開關或標度盤進行選擇

　　8、按比例地改V和f時，電機的轉(zhuǎn)矩如何變化？

　　頻 率下降時完全成比例地降低電壓，那么由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速下產(chǎn)生地轉(zhuǎn)矩有減小的傾向。因此，在低頻時給定V/f要使輸出電壓提高 一些以便獲得一定地起動轉(zhuǎn)矩這種補償稱增強起動�？梢圆捎酶鞣N方法實現(xiàn)有自動進行的方法、選擇V/f模式或調(diào)整電位器等方法

　　9、在說明書上寫著變速范圍60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就沒有輸出功率嗎？

　　在6Hz以下仍可輸出功率，但根據(jù)電機溫升和起動轉(zhuǎn)矩的大小等條件，最低使用頻率取6Hz左右，此時電動機可輸出額定轉(zhuǎn)矩而不會引起嚴重的發(fā)熱問題。變頻器實際輸出頻率（起動頻率）根據(jù)機種為0.5~3Hz.

　　10、對于一般電機的組合是在60Hz以上也要求轉(zhuǎn)矩一定，是否可以？

　　通常情況下時不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）電壓不變，大體為恒功率特性，在 高速下要求相同轉(zhuǎn)矩時，必須注意電機與變頻器容量的選擇。

　　11、所謂開環(huán)是什么意思？

　　給所使用的電機裝置設速度檢出器（PG），將實際轉(zhuǎn)速反饋給控制裝置進行控制的，稱為“閉環(huán) ”，不用PG運轉(zhuǎn)的就叫作“開環(huán)”。通用變頻器多為開環(huán)方式，也有的機種利用選件可進行PG反饋.

　　12、實際轉(zhuǎn)速對于給定速度有偏差時如何辦？

　　開環(huán)時，變頻器即使輸出給定頻率，電機在帶負載運行時，電機的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)差率的范圍內(nèi)（1%~5%）變動。對于要求調(diào)速精度比較高，即使負載變動也要求在近于給定速度下運轉(zhuǎn)的場合，可采用具有PG反饋功能的變頻器（選用件）。

　　13、如果用帶有PG的電機，進行反饋后速度精度能提高嗎？

　　具有ＰＧ反饋功能的變頻器，精度有提高。但速度精度的植取決于ＰＧ本身的精度和變頻器輸出頻率的分辨率。

　　14、失速防止功能是什么意思？

　　如 果給定的加速時間過短，變頻器的輸出頻率變化遠遠超過轉(zhuǎn)速（電角頻率）的變化，變頻器將因流過過電流而跳閘，運轉(zhuǎn)停止，這就叫作失速。為了防止失速使電機 繼續(xù)運轉(zhuǎn)，就要檢出電流的大小進行頻率控制。當加速電流過大時適當放慢加速速率。減速時也是如此。兩者結(jié)合起來就是失速功能。

　　15、有加速時間與減速時間可以分別給定的機種，和加減速時間共同給定的機種，這有什么意義？

　　加減速可以分別給定的機種，對于短時間加速、緩慢減速場合，或者對于小型機床需要嚴格給定生產(chǎn)節(jié)拍時間的場合是適宜的，但對于風機傳動等場合，加減速時間都較長，加速時間和減速時間可以共同給定。

　　16、什么是再生制動？

　　電動機在運轉(zhuǎn)中如果降低指令頻率，則電動機變?yōu)楫惒桨l(fā)電機狀態(tài)運行，作為制動器而工作，這就叫作再生（電氣）制動。

　　17、是否能得到更大的制動力？

　　從電機再生出來的能量貯積在變頻器的濾波電容器中，由于電容器的容量和耐壓的關系，通用變頻器的再生制動力約為額定轉(zhuǎn)矩的10%~20%。如采用選用件制動單元，可以達到50%~100%。

　　18、請說明變頻器的保護功能?

　　保護功能可分為以下兩類：

　�。�1） 檢知異常狀態(tài)后自動地進行修正動作，如過電流失速防止，再生過電壓失速防止。

　�。�2） 檢知異常后封鎖電力半導體器件PWM控制信號，使電機自動停車。如過電流切斷、再生過電壓切斷、半導體冷卻風扇過熱和瞬時停電保護等。

　　19、為什么用離合器連續(xù)負載時，變頻器的保護功能就動作？

　　用離合器連接負載時，在連接的瞬間，電機從空載狀態(tài)向轉(zhuǎn)差率大的區(qū)域急劇變化，流過的大電流導致變頻器過電流跳閘，不能運轉(zhuǎn)。

　　20、在同一工廠內(nèi)大型電機一起動，運轉(zhuǎn)中變頻器就停止，這是為什么？

　　電機起動時將流過和容量相對應的起動電流，電機定子側(cè)的變壓器產(chǎn)生電壓降，電機容量大時此壓降影響也大，連接在同一變壓器上的變頻器將做出欠壓或瞬停的判斷，因而有時保護功能（IPE）動作，造成停止運轉(zhuǎn)。

　　21、什么是變頻分辨率？有什么意義？

　　對于數(shù)字控制的變頻器，即使頻率指令為模擬信號，輸出頻率也是有級給定。這個級差的最小單位就稱為變頻分辨率。

　　變 頻分辨率通常取值為0.015~0.5Hz.例如，分辨率為0.5Hz，那么23Hz的上面可變?yōu)?3.5、24.0 Hz，因此電機的動作也是有級的跟隨。這樣對于像連續(xù)卷取控制的用途就造成問題。在這種情況下，如果分辨率為0.015Hz左右，對于4級電機1個級差為 1r/min 以下，也可充分適應。另外，有的機種給定分辨率與輸出分辨率不相同。

　　22、裝設變頻器時安裝方向是否有限制。

　　變頻器內(nèi)部和背面的結(jié)構(gòu)考慮了冷卻效果的，上下的關系對通風也是重要的，因此，對于單元型在盤內(nèi)、掛在墻上的都取縱向位，盡可能垂直安裝。

　　23、不采用軟起動，將電機直接投入到某固定頻率的變頻器時是否可以？

　　在很低的頻率下是可以的，但如果給定頻率高則同工頻電源直接起動的條件相近。將流過大的起動電流（6~7倍額定電流），由于變頻器切斷過電流，電機不能起動。

　　24、電機超過60Hz運轉(zhuǎn)時應注意什么問題？

　　超過60Hz運轉(zhuǎn)時應注意以下事項

　　(1)機械和裝置在該速下運轉(zhuǎn)要充分可能（機械強度、噪聲、振動等）。

　�。�2） 電機進入恒功率輸出范圍，其輸出轉(zhuǎn)矩要能夠維持工作（風機、泵等軸輸出功率于速度的立方成比例增加，所以轉(zhuǎn)速少許升高時也要注意）。

　　(3) 產(chǎn)生軸承的壽命問題，要充分加以考慮。

　�。�4） 對于中容量以上的電機特別是2極電機，在60Hz以上運轉(zhuǎn)時要與廠家仔細商討。

　　25、變頻器可以傳動齒輪電機嗎？

　　根據(jù)減速機的結(jié)構(gòu)和潤滑方式不同，需要注意若干問題。在齒輪的結(jié)構(gòu)上通常可考慮70~80Hz為****極限，采用油潤滑時，在低速下連續(xù)運轉(zhuǎn)關系到齒輪的損壞等。

　　26、變頻器能用來驅(qū)動單相電機嗎？可以使用單相電源嗎？

　　機基本上不能用。對于調(diào)速器開關起動式的單相電機，在工作點以下的調(diào)速范圍時將燒毀

　　輔助繞組；對于電容起動或電容運轉(zhuǎn)方式的，將誘發(fā)電容器爆炸。變頻器的電源通常為3相，但對于小容量的，也有用單相電源運轉(zhuǎn)的機種。

　　27、變頻器本身消耗的功率有多少？

　　它與變頻器的機種、運行狀態(tài)、使用頻率等有關，但要回答很困難。不過在60Hz以下的變頻器效率大約為94%~96%，據(jù)此可推算損耗，但內(nèi)藏再生制動式（FR-K）變頻器，如果把制動時的損耗也考慮進去，功率消耗將變大，對于操作盤設計等必須注意。

　　28、為什么不能在6~60Hz全區(qū)域連續(xù)運轉(zhuǎn)使用？

　　一般電機利用裝在軸上的外扇或轉(zhuǎn)子端環(huán)上的葉片進行冷卻，若速度降低則冷卻效果下降，因而不能承受與高速運轉(zhuǎn)相同的發(fā)熱，必須降低在低速下的負載轉(zhuǎn)矩，或采用容量大的變頻器與電機組合，或采用專用電機。

　　29、使用帶制動器的電機時應注意什么？

　　制動器勵磁回路電源應取自變頻器的輸入側(cè)。如果變頻器正在輸出功率時制動器動作，將造成過電流切斷。所以要在變頻器停止輸出后再使制動器動作。

　　30、想用變頻器傳動帶有改善功率因數(shù)用電容器的電機，電機卻不動，清說明原因

　　變頻器的電流流入改善功率因數(shù)用的電容器，由于其充電電流造成變頻器過電流(OCT)所以不能起動，作為對策，請將電容器拆除后運轉(zhuǎn)，甚至改善功率因數(shù)，在變頻器的輸入側(cè)接入AC電抗器是有效的。

　　31、變頻器的壽命有多久？

　　變頻器雖為靜止裝置，但也有像濾波電容器、冷卻風扇那樣的消耗器件，如果對它們進行定期的維護，可望有10年以上的壽命。

　　32、變頻器內(nèi)藏有冷卻風扇，風的方向如何？風扇若是壞了會怎樣？

　　對于小容量也有無冷卻風扇的機種。有風扇的機種，風的方向是從下向上，所以裝設變頻器的地方，上、下部不要放置妨礙吸、排氣的機械器材。還有，變頻器上方不要放置怕熱的零件等。風扇發(fā)生故障時，由電扇停止檢測或冷卻風扇上的過熱檢測進行保護

　　33、濾波電容器為消耗品，那么怎樣判斷它的壽命？

　　作為濾波電容器使用的電容器，其靜電容量隨著時間的推移而緩緩減少，定期地測量靜電容量，以達到產(chǎn)品額定容量的85%時為基準來判斷壽命。

　　34、裝設變頻器時安裝方向是否有限制。

　　應基本收藏在盤內(nèi)，問題是采用全封閉結(jié)構(gòu)的盤外形尺寸大，占用空間大，成本比較高。其措施有：

　�。�1）盤的設計要針對實際裝置所需要的散熱；

　�。�2）利用鋁散熱片、翼片冷卻劑等增加冷卻面積；

　�。�3） 采用熱導管。

　　此外，已開發(fā)出變頻器背面可以外露的型式。

　　35、想提高原有輸送帶的速度，以80Hz運轉(zhuǎn)，變頻器的容量該怎樣選擇？

　　設基準速度為50Hz50Hz以上為恒功率輸出特性。像輸送帶這樣的恒轉(zhuǎn)矩特性負載增速時，容量 需要增大為80/50≈1.6倍。電機容量也像變頻器一樣增大。