變頻器的工作原理及作用

1、變頻器的工作原理1、基本概念（1）VVVF 改變電壓、改變頻率（Variable Voltage and Variable Frequenc） 的縮寫。（2） CVCF恒電壓、恒頻率（Constant Voltage and Constant Frequenc）的 縮寫。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”。該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC）。變頻器同時(shí)改變輸出頻率與電 壓，也就是改變了電機(jī)運(yùn)行曲線上的nO,使電機(jī)運(yùn)行曲線平行下移。因此變頻器可以使電機(jī)以較小的啟動(dòng)電流，獲得較大

2、的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即變頻器可以啟動(dòng)重載 負(fù)荷。變頻器具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能，應(yīng)用了現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)， 價(jià)格昂貴但性能良好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜但使用簡(jiǎn)單，所以不只是用于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)， 而是廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，各種各樣的功率、各種各樣的外形、各種各樣的體 積、各種各樣的用途等都有。隨著技術(shù)的發(fā)展，成本的降低，變頻器一定還會(huì)得 到更廣泛的應(yīng)用。各國(guó)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 200V/60Hz（ 50Hz）或100V/60Hz （50Hz）。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

3、要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為“變 頻器”（inverter）。變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅有電機(jī) （例如空調(diào) 等），還有熒光燈等產(chǎn)品。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。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設(shè)備也以“ inv erter ”的名稱進(jìn)行出售。變頻器的 工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如計(jì)算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻 器用于抑制反向電壓、頻率的波動(dòng)及電源的瞬間斷電。2. 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什

4、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，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(jiǎn)稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地取決于電機(jī) 的極數(shù)和頻率。電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值 （為 2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2, 4, 6），所以不適合改變極對(duì)數(shù)來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。另 外，頻率是電機(jī)供電電源的電信號(hào)，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

5、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)，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(shí)， 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(shí)必 須要同時(shí)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(shí)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(shí)變頻器的輸出電壓就必須從 200V改變到約100V。3、

6、關(guān)于散熱的冋題如果要正確的使用變頻器，必須認(rèn)真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨 溫度升高而成指數(shù)的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)的下降。環(huán)境溫度升高 10度，變頻器使用壽命減半。因此，我們要重視散熱問題??！在變頻器工作時(shí)， 流過變頻器的電流是很大的，變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的， 不能忽視其發(fā)熱 所產(chǎn)生的影響。通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺(tái)變頻器的發(fā)熱量大概是多 少，可以用以下公式估算：發(fā)熱量的近似值二 變頻器容量（KW）X 55 W在這里,如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為準(zhǔn)的（過流能力150% * 60s）如果變頻器 帶有直流電抗器或交流電抗器，并且也在柜子里面，這時(shí)發(fā)熱量會(huì)更

7、大一些。 電 抗器安裝在變頻器側(cè)面或測(cè)上方比較好。這時(shí)可以用估算：變頻器容量（KW）X 60 W因?yàn)楦髯冾l器廠家的硬件都差不多，所以上式可以針對(duì)各品牌的產(chǎn)品 注意：如果有制動(dòng)電阻的話，因?yàn)橹苿?dòng)電阻的散熱量很大，因此最好安裝位置最好和變頻器隔離開，如裝在柜子上面或旁邊等。那么，怎樣米能降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量呢？當(dāng)變頻器安裝在控制機(jī)柜中時(shí)，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。根 據(jù)機(jī)柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)柜的尺寸。因此，要使控制機(jī)柜的 尺寸盡量減小，就必須要使機(jī)柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時(shí)，把變頻器的散熱器部分放到控制機(jī)柜的外面，將會(huì)使變頻器有70 %的發(fā)熱量釋放到控制機(jī)柜的

8、外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量， 所以對(duì)大容量 變頻器更加有效。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開，使散熱器的散熱不影響 到變頻器本體。這樣效果也很好。變頻器散熱設(shè)計(jì)中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的， 橫著放散熱會(huì)變差的！關(guān)于冷卻風(fēng)扇一般功率稍微大一點(diǎn)的變頻器，都帶有冷卻風(fēng)扇。同時(shí)，也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。 進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止 灰塵進(jìn)入控制柜。注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是要的，不能誰替代誰。另外，散熱問題還要注意以下兩個(gè)問題：（1）在海拔高于1000m的地方，因?yàn)榭諝饷芏冉档停虼藨?yīng)加大柜子的冷卻風(fēng)量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應(yīng)考慮降容，1000m每-5%。但由于實(shí)際上因?yàn)樵O(shè)計(jì)

9、上變頻器的負(fù)載能力和散熱能力一般比實(shí)際使用的要大，所以也要看具體應(yīng)用。 比方說在1500m的地方，但是周期性負(fù)載，如電梯，就不必要 降容。（2）開關(guān)頻率：變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT, IGBT的發(fā)熱有集中在開和 關(guān)的瞬間。 因此開關(guān)頻率高時(shí)自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。有的廠家宣稱降低開關(guān)頻率可以擴(kuò)容，就是這個(gè)道理。4、矢量控制是怎樣使電機(jī)具有大的轉(zhuǎn)矩的？（1）轉(zhuǎn)矩提升：此功能增加變頻器的輸出電壓， 以使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的 平方成正比的關(guān)系增加，從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足 的技術(shù)，使用"矢量控制"，可以使電機(jī)在低速，如（無速度傳感器時(shí)）1Hz （

10、對(duì)4極電 機(jī)，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min ）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在 50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩 （最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%）。對(duì)于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對(duì)增加，這就導(dǎo)致由于勵(lì)磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn) 力。為了補(bǔ)償這個(gè)不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引 起的電壓降。變頻器的這個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng) 的提高。因?yàn)殡姍C(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。"矢量控制"把電機(jī)的電流值進(jìn)

11、行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它 電流分量（如勵(lì)磁分量）的數(shù)值。"矢量控制"可以通過對(duì)電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)， 進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對(duì)改善 電機(jī)低速時(shí)溫升也有效。5、變頻器制動(dòng)的有關(guān)冋題（1） 制動(dòng)的概念：指電能從電機(jī)側(cè)流到變頻器側(cè)（或供電電源側(cè)），這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速負(fù)載的能量分為動(dòng)能和勢(shì)能動(dòng)能（由速度和重量確定其大?。?隨著物體的運(yùn)動(dòng)而累積。當(dāng)動(dòng)能減為零時(shí)，該事物就處在停止?fàn)顟B(tài)。機(jī)械抱閘裝 置的方法是用制動(dòng)裝置把物體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。對(duì)于變頻器，如果輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生制

12、動(dòng)過程由制動(dòng)產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)。這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類負(fù)載 ， 在下降時(shí)，能量（勢(shì)能）也要返回到變頻器（或電源）側(cè)，進(jìn)行制動(dòng).這種操作方法被稱 作"再生制動(dòng)"，而該方法可應(yīng)用于變頻器制動(dòng)。在減速期間，產(chǎn)生的功率如果不 通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)的方法叫做"功率返回再生方法"。在實(shí)際中，這種應(yīng)用需要"能量回饋單元"選件。（2）怎樣提高制動(dòng)能力？為了用散熱來消耗再生功率，需要在變頻器側(cè)安裝制動(dòng)電阻。為了改善制動(dòng)能力， 不能期望靠增加變頻器的容量來解決問題。請(qǐng)選用"制動(dòng)電阻&q

13、uot;、"制動(dòng)單元"或"功率再生變換器"等選件來改善變頻器的制動(dòng)容量 6當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度改變時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)怎樣？（1）:工頻電源由電網(wǎng)提供的動(dòng)力電源（商用電源）（2）:起動(dòng)電流當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器的輸出電流變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動(dòng)。我們經(jīng)常聽到下面的說法："電機(jī)在工頻電源供電時(shí)（*1 ）時(shí)，電機(jī)的起動(dòng) 和加速?zèng)_擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些"。如果用大的電壓和頻率起動(dòng)電機(jī)，例如使用工頻電網(wǎng)直接供電，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)沖擊 （大的起動(dòng)電流（*2）。而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸

14、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(dòng)的電機(jī)起動(dòng)電流要小些。通常，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停?而減些 減小的實(shí)際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊(cè)中會(huì)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(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性

15、關(guān)系下降。當(dāng)電機(jī)以大 于60Hz頻率速度運(yùn)行時(shí)，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(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時(shí)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*le）。一、變頻器的直接作用： 通過改變電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率， 使電機(jī)的速度可以無極 調(diào)節(jié)。軟啟動(dòng)節(jié)能，功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能變頻器的間接作用：1. 節(jié)能（節(jié)電）。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的 擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量， 其輸入功率大， 且大量的能源消耗在擋 板、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過降低泵或 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)

16、速即可滿足要求。降低電耗。2. 提高生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度 .當(dāng)前有很多品牌的變頻器， 如：杭州奧圣電氣有限公司代理的日業(yè)變頻器 CM530 系列在滿足客戶通用需求的前提下， 通過擴(kuò)展設(shè)計(jì)可以靈活地滿足客戶個(gè)性化要 求、行業(yè)性要求滿足各種復(fù)雜高精度傳動(dòng)的要求， 同時(shí)為設(shè)備制造業(yè)客戶提供高 集成度的一體化解決方案，二、變頻器原理變頻器工作原理主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分， 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， 其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功

17、率的“ 整流器 ”，吸收在變流器和逆 變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“ 平波回路 ”，以及將直流功率變換為交流功率的“ 逆變 器”。整流器最近大量使用的是二極管的變流器， 它把工頻電源變換為直流電源。 也可用 兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。 平波回路在整流器整流后的直流電壓中， 含有電源 6 倍頻率的脈動(dòng)電壓， 此外逆變器 產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。 為了抑制電壓波動(dòng)， 采用電感和電容吸收脈 動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去 電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。逆變器同整流器相反， 逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率， 以所確 定的時(shí)間使 6 個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到 3 相交流輸出。以電壓型 pwm 逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形?？刂齐娐?是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻 率、電壓的“運(yùn)算電路” ，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路” ，電動(dòng)機(jī)的“速度檢 測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的 “驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī) 的“保護(hù)電路