1、什么是變頻器？
變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR（晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM－VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。
2、變頻器的分類
變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。
VVVF：改變電壓、改變頻率（Variable Voltage and Variable Frequency）的縮寫。
CVCF：恒電壓、恒頻率（Constant Voltage and Constant Frequency）的縮寫。
各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均為400V/50Hz或200V/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等領(lǐng)域。
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。
3、 部分常用術(shù)語中英文對照
變頻器：inverter (日本常用)，AC Drive (歐美常用)，F(xiàn)requency Converter (歐州常用)
變流器 converters
整流 rectifying-rectification
整流器 rectifier
逆變 inverting-inversion
逆變器 inverter
轉(zhuǎn)矩脈動 torque pulsation
脈寬調(diào)制 (PWM) pulse width modulation
諧波 harmonic
矢量控制(VC) vector control
直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC) direct torque control
四象限運(yùn)行 Four quadrant operation
再生(制動) Regeneration
直流制動 d.c braking
漏電流 leak current
濾波器 filter
電抗器 reactor
電位器 potentiometer
編碼器encoder, PLG (pulse generator)
定子 stator
轉(zhuǎn)子 rotor
4、變頻器和軟啟動器
變頻器：變頻變壓。主要作用是調(diào)速，節(jié)能和軟起動。
軟啟動器：僅改變電壓。主要作用是降低起動電流和沖擊。
本講討論變頻器的基本運(yùn)行原理。
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：4極電機(jī) 60Hz 1,800 [r/min]
4極電機(jī) 50Hz 1,500 [r/min]
2、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)領(lǐng)域所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。
感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡稱為電機(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)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。
另外，頻率是電機(jī)供電電源的電信號，所以該值能夠在電機(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)極數(shù)
3、改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法
如果僅改變頻率，電機(jī)將被燒壞。特別是當(dāng)頻率降低時，該問題就非常突出。為了防止電機(jī)燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。
例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。
例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。
當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度改變時，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(dāng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，變頻器的輸出電流
變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動，我們經(jīng)常聽到下面的說法："電機(jī)在工頻電源供電時（*1）時，電機(jī)的起動和加速沖擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些"。如果用大的電壓和頻率起動電機(jī)，例如使用工頻電網(wǎng)直接供電，就會產(chǎn)生一個大的起動沖擊（大的起動電流 (*2) ）。而當(dāng)使用變頻器時，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)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要小于工頻電網(wǎng)供電的轉(zhuǎn)矩值。所以變頻器驅(qū)動的電機(jī)起動電流要小些。
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(jī)低速時轉(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。
當(dāng)變頻器調(diào)速到大于60Hz頻率時，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，通常的電機(jī)是按50Hz(60Hz)電壓設(shè)計(jì)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(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60Hz頻率速度運(yùn)行時，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)
更正一下: 最后一段應(yīng)全為"50Hz"
變頻器50Hz以上的應(yīng)用情況
大家知道, 對一個特定的電機(jī)來說, 其額定電壓和額定電流是不變的.(我們先不考慮短時的過流過壓).
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, 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(diào)速.
這時的轉(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)矩會相應(yīng)減小.
我們還可以再換一個角度來看:
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)
可以看出, U,I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(dāng)f由50-->60Hz時, X會相應(yīng)減小
對于電機(jī)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-->最大轉(zhuǎn)矩不變)
結(jié)論: 當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時, 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會減小.
其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)的因素
載波頻率: 一般變頻器所標(biāo)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.
一般變頻器如果負(fù)載能力不夠, 大都是變頻器檢測到電流太大而報警
如果降低載波頻率, 但是電機(jī)的電流不會受到影響. 雖然元器件的發(fā)熱會減小,但我覺得這個量很難定量給出, 不同功率的也不同. 一般的廠商會在功率器件選型上留很大的裕量. 不大會因?yàn)槟阍O(shè)定的載波頻率小了而把內(nèi)部的電流保護(hù)水平放寬. 就向廠商不會因?yàn)闄z測到周圍溫度比較低時就增大變頻器保護(hù)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。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
