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              變頻器的工作原理

                變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、再次整流(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

              1. 電機的旋轉速度為什么能夠自由地改變?
              *1: r/min
              電機旋轉速度單位:每分鐘旋轉次數,也可表示為rpm.
              例如:2極電機 50Hz 3000 [r/min]
                          4極電機 50Hz 1500 [r/min]
              $電機的旋轉速度同頻率成比例


               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)的旋轉速度近似地確決于電機的極數和頻率。   由電機的工作原理決定電機的極數是固定不變的。由于該極數值不是一個連續的數值(為2的倍數,例如極數為2,4,6),所以一般不適和通過改變該值來調整電機的速度。
               另外,頻率能夠在電機的外面調節后再供給電機,這樣電機的旋轉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,是做為電機調速設備的優選設備。
                   n = 60f/p
                  n: 同步速度
                  f: 電源頻率
                  p: 電機極對數
                
              $ 改變頻率和電壓是最優的電機控制方法
               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. 當電機的旋轉速度(頻率)改變時,其輸出轉矩會怎樣?
              *1: 工頻電源
              由電網提供的動力電源(商用電源)
              *2: 起動電流
              當電機開始運轉時,變頻器的輸出電流
                  變頻器驅動時的起動轉矩和最大轉矩要小于直接用工頻電源驅動        

                  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,電機產生的轉矩要隨頻率的減小(速度降低)而減小。減小的實際數據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矩的不足,甚至在低速區電機也可輸出足夠的轉矩。
                
              3. 當變頻器調速到大于50Hz頻率時,電機的輸出轉矩將降低-----
               通常的電機是按50Hz電壓設計制造的,其額定轉矩也是在這個電壓范圍內給出的。因此在額定頻率之下的調速稱為恒轉矩調速. (T=Te, P<=Pe)
               變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時,電機產生的轉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,以防止電機輸出轉矩的不足。
               舉例,電機在100Hz時產生的轉矩大約要降低到50Hz時產生轉矩的1/2。因此在額定頻率之上的調速稱為恒功率調速. (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. 所以我們稱之為恒功率調速.
                這時的轉矩情況怎樣呢?
                因為P=wT (w:角速度, T:轉矩). 因為P不變, w增加了, 所以轉矩會相應減小.  
                  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, U,I不變時, E也不變.
              而E = k*f*X, (k:常數, 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, I:電流, X:磁通), 因此轉矩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. 轉矩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(轉矩)能力. 并稱為恒轉矩調速(額定電流不變-->最大轉矩不變)
               結論: 當變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時, 電機的輸出轉矩會減小.
                    
              5. 其他和輸出轉矩有關的因素
               發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, 最高環境溫度下能保證持續輸出的數值. 降低載波頻率, 電機的電流不會受到影響。但元器件的發熱會減小。
               環境溫度: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矩能力的?
              *1: 轉矩提升
              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矩損失,從而改善電機的輸出轉矩。  
              $ 改善電機低速輸出轉矩不足的技術
               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,其轉速大約為30r/min)時的輸出轉矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉矩(最大約為額定轉矩的150%)。
               對于常規的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"轉矩提升"(*1)。
               轉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生的轉矩分量和其它分量(如勵磁分量)。
               "矢量控制"把電機的電流值進行分配,從而確定產生轉矩的電機電流分量和其它電流分量(如勵磁分量)的數值。
               "矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應,進行優化補償,在不增加電流的情況下,允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。

              2018年9月25日
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