變頻(pin)器控制電機轉(zhuan)速(su)原理

變頻器主要由整流(liu)（交流(liu)變(bian)直流(liu)）、濾波(bo)、再次整流(liu)（直流(liu)變(bian)交流(liu)）、制動單(dan)元(yuan)、驅動單(dan)元(yuan)、檢(jian)測(ce)單(dan)元(yuan)微處理單(dan)元(yuan)等組成的。

本(ben)文中所指(zhi)的電機(ji)(ji)(ji)為(wei)(wei)感(gan)應(ying)式交(jiao)流(liu)電機(ji)(ji)(ji)，在(zai)工業(ye)中所使用的大部(bu)分(fen)電機(ji)(ji)(ji)均為(wei)(wei)此類型電機(ji)(ji)(ji)。感(gan)應(ying)式交(jiao)流(liu)電機(ji)(ji)(ji)（以后簡稱為(wei)(wei)電機(ji)(ji)(ji)）的旋轉(zhuan)速度(du)近似地(di)確決(jue)于(yu)(yu)電機(ji)(ji)(ji)的極(ji)數和(he)頻(pin)率。由電機(ji)(ji)(ji)的工作原(yuan)理決(jue)定(ding)電機(ji)(ji)(ji)的極(ji)數是固定(ding)不(bu)變(bian)(bian)的。由于(yu)(yu)該極(ji)數值(zhi)不(bu)是一個連續的數值(zhi)（為(wei)(wei)2的倍數，例如極(ji)數為(wei)(wei)2，4，6），所以一般不(bu)適和(he)通過改變(bian)(bian)該值(zhi)來調整電機(ji)(ji)(ji)的速度(du)。

另外(wai)，頻率能夠在電機(ji)的外(wai)面(mian)調節后再供給電機(ji)，這樣電機(ji)的旋(xuan)轉速度(du)就可以被(bei)自(zi)由(you)的控(kong)制。

因此，以控(kong)制頻(pin)率為目的(de)的(de)變頻(pin)器，是作為電機調速設備的(de)優選設備。

結(jie)論：改變(bian)頻率和(he)電(dian)壓(ya)是最優的電(dian)機控制方法。

如果僅改(gai)變頻(pin)率(lv)而(er)不(bu)改(gai)變電壓(ya)，頻(pin)率(lv)降低時(shi)(shi)會使(shi)電機(ji)出(chu)于過電壓(ya)（過勵(li)磁(ci)），導致電機(ji)可(ke)能(neng)被燒(shao)壞。因(yin)此變頻(pin)器在改(gai)變頻(pin)率(lv)的同時(shi)(shi)必須(xu)要同時(shi)(shi)改(gai)變電壓(ya)。輸出(chu)頻(pin)率(lv)在額定頻(pin)率(lv)以上時(shi)(shi)，電壓(ya)卻不(bu)可(ke)以繼續增加，最高(gao)只能(neng)是等于電機(ji)的額定電壓(ya)。

工(gong)頻電源：由電網提供(gong)的動力電源（商用電源）。

起動電(dian)流(liu)：當電(dian)機(ji)開始(shi)運轉時，變頻(pin)器(qi)的(de)輸出電(dian)流(liu)。

變頻器驅動(dong)時的起動(dong)轉矩和最大轉矩要小于直(zhi)接用工頻電源驅動(dong)。

電(dian)(dian)(dian)機在(zai)工(gong)頻(pin)(pin)電(dian)(dian)(dian)源供電(dian)(dian)(dian)時(shi)起動(dong)(dong)(dong)和(he)加速沖擊很(hen)大(da)，而當使用變(bian)頻(pin)(pin)器供電(dian)(dian)(dian)時(shi)，這些沖擊就要弱一些。工(gong)頻(pin)(pin)直接起動(dong)(dong)(dong)會產生一個(ge)大(da)的(de)起動(dong)(dong)(dong)起動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)。而當使用變(bian)頻(pin)(pin)器時(shi)，變(bian)頻(pin)(pin)器的(de)輸出電(dian)(dian)(dian)壓和(he)頻(pin)(pin)率(lv)是逐漸(jian)加到電(dian)(dian)(dian)機上(shang)的(de)，所以電(dian)(dian)(dian)機起動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)和(he)沖擊要小些。

通常，電機產生的(de)轉矩(ju)要隨頻率的(de)減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)（速(su)度降(jiang)低(di)）而(er)減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)。減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)的(de)實(shi)際數據在有的(de)變頻器手冊中會給出(chu)說明。

通(tong)過使用磁通(tong)矢量控(kong)制的變(bian)頻器(qi)，將改善電(dian)機低速時(shi)轉(zhuan)矩的不足，甚至在低速區電(dian)機也(ye)可輸出(chu)足夠的轉(zhuan)矩。

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1、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(she)計制造的，其額(e)定轉矩也是在這(zhe)個電壓范圍內給出的。因此在額(e)定頻(pin)率之下(xia)的調(diao)速稱為(wei)恒轉矩調(diao)速.(T=Te,P<=Pe)

變頻(pin)器輸(shu)出頻(pin)率(lv)大于50Hz頻(pin)率(lv)時，電機產生的轉矩(ju)要以和(he)頻(pin)率(lv)成(cheng)反(fan)比的線性關系下降。

當電機(ji)(ji)以大(da)于50Hz頻率速度運行時，電機(ji)(ji)負載的大(da)小必須要(yao)給予(yu)考慮，以防止電機(ji)(ji)輸(shu)出轉矩(ju)的不足。

舉例，電機在(zai)100Hz時產生的(de)轉(zhuan)矩大約要降低到50Hz時產生轉(zhuan)矩的(de)1/2。

因此在(zai)額(e)定(ding)頻率之上(shang)的調(diao)速稱為恒(heng)功率調(diao)速(P=Ue*Ie)。

2、變頻器50Hz以上的應用情況

大家知道，對一個特定(ding)(ding)的電(dian)機來說，其額(e)定(ding)(ding)電(dian)壓和額(e)定(ding)(ding)電(dian)流是不變(bian)的。

如變頻器和電機額定值都(dou)是：15kW/380V/30A，電機可以工作在50Hz以上。

當轉速為(wei)50Hz時，變(bian)頻(pin)器的輸出(chu)(chu)電(dian)壓為(wei)380V，電(dian)流(liu)為(wei)30A。這時如果增大輸出(chu)(chu)頻(pin)率(lv)到60Hz，變(bian)頻(pin)器的最大輸出(chu)(chu)電(dian)壓電(dian)流(liu)還只能(neng)為(wei)380V/30A。很顯然輸出(chu)(chu)功率(lv)不變(bian)，所(suo)以我們稱(cheng)之為(wei)恒功率(lv)調速。

這(zhe)時的轉矩(ju)情況怎樣呢？

因為P=wT（w：角(jiao)速(su)度(du)，T：轉矩）。因為P不(bu)變(bian)，w增加(jia)了，所以(yi)轉矩會(hui)相(xiang)應減小。

我(wo)們還可以再(zai)換一個角度來看:

電(dian)機(ji)的定(ding)子電(dian)壓U=E+I*R（I為電(dian)流(liu)，R為電(dian)子電(dian)阻，E為感應電(dian)勢）

可(ke)以(yi)看出，U、I不(bu)變時，E也不(bu)變。

而E=k*f*X，（k：常數(shu)，f：頻率，X：磁通），所以(yi)當(dang)f由(you)50-->60Hz時(shi)，X會相應減小(xiao)。

對(dui)于電機來說，T=K*I*X，(K：常數，I：電流，X：磁(ci)通），因此轉矩T會跟(gen)著磁(ci)通X減小(xiao)而減小(xiao)。

同時，小于50Hz時，由于I*R很小，所以U/f=E/f不(bu)(bu)變時，磁通(tong)(X)為(wei)常數。轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)T和電流成正比。這也就是為(wei)什(shen)么通(tong)常用變頻器的過(guo)(guo)流能力來描述其過(guo)(guo)載(zai)(轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju))能力。并稱(cheng)為(wei)恒轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)調速(額(e)定電流不(bu)(bu)變-->最大轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)不(bu)(bu)變)。

結(jie)論(lun)：當變頻(pin)器輸(shu)出頻(pin)率從(cong)50Hz以上增加時，電機的輸(shu)出轉(zhuan)矩(ju)會減(jian)小。

3、其他和輸出轉矩有關的因素

發熱和(he)散熱能力(li)(li)決定變頻(pin)器的輸出電流(liu)能力(li)(li)，從(cong)而影響變頻(pin)器的輸出轉矩能力(li)(li)。

載波(bo)頻率(lv)：一般變頻器所標的額定電(dian)(dian)流都(dou)是以最(zui)高(gao)(gao)載波(bo)頻率(lv)，最(zui)高(gao)(gao)環境溫(wen)度下能保(bao)證持續輸出的數(shu)值。降低載波(bo)頻率(lv)，電(dian)(dian)機的電(dian)(dian)流不會(hui)受到(dao)影響。但元器件的發熱會(hui)減小(xiao)。

環境溫度：就(jiu)象不會因(yin)為檢(jian)測到周圍溫度比較低時就(jiu)增(zeng)大變頻器保護(hu)電流值.

海拔高度：海拔高度增加，對(dui)散熱(re)和絕緣性能都有影響。一般1000m以(yi)(yi)(yi)下可以(yi)(yi)(yi)不考慮。以(yi)(yi)(yi)上(shang)每1000米(mi)降容(rong)5%就可以(yi)(yi)(yi)了。

4、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(ci)功能增加(jia)變頻器的(de)輸出電(dian)(dian)壓（主要是低頻時），以補償定子電(dian)(dian)阻上電(dian)(dian)壓降引起的(de)輸出轉矩(ju)損失，從(cong)而改善電(dian)(dian)機的(de)輸出轉矩(ju)。

改善電機低速輸出(chu)轉矩(ju)不(bu)足的技術(shu)

使用矢量控制，可以使電(dian)(dian)機(ji)在(zai)低速(su),如(無(wu)速(su)度傳感(gan)器時)1Hz（對(dui)4極電(dian)(dian)機(ji)，其轉(zhuan)速(su)大約為30r/min）時的(de)(de)輸(shu)出轉(zhuan)矩可以達(da)到電(dian)(dian)機(ji)在(zai)50Hz供(gong)電(dian)(dian)輸(shu)出的(de)(de)轉(zhuan)矩（最(zui)大約為額定轉(zhuan)矩的(de)(de)150％）。

對于常規的(de)V/F控(kong)制，電(dian)機的(de)電(dian)壓降(jiang)隨著電(dian)機速度(du)的(de)降(jiang)低而相對增加(jia)，這就導致由于勵磁不(bu)(bu)足(zu)，而使電(dian)機不(bu)(bu)能獲(huo)得足(zu)夠的(de)旋轉力。為了補償(chang)這個不(bu)(bu)足(zu)，變(bian)頻器(qi)中需要通過提高電(dian)壓，來(lai)補償(chang)電(dian)機速度(du)降(jiang)低而引起的(de)電(dian)壓降(jiang)。變(bian)頻器(qi)的(de)這個功能叫(jiao)做轉矩提升（*1）。

轉矩提升功能是提高變頻器的(de)輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。然而即(ji)使提(ti)高(gao)很多輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，電(dian)(dian)(dian)機轉矩并不(bu)能和(he)其電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)相對(dui)應的(de)提(ti)高(gao)。因為電(dian)(dian)(dian)機電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)包含電(dian)(dian)(dian)機產生的(de)轉矩分(fen)(fen)量和(he)其它分(fen)(fen)量（如(ru)勵磁分(fen)(fen)量）。

矢(shi)量(liang)控制把電(dian)(dian)機的電(dian)(dian)流值(zhi)進行分配，從(cong)而確定產生轉矩的電(dian)(dian)機電(dian)(dian)流分量(liang)和其(qi)它(ta)電(dian)(dian)流分量(liang)（如勵磁分量(liang)）的數(shu)值(zhi)。

矢量控制可以通過對電(dian)機(ji)端(duan)的電(dian)壓(ya)降的響應，進行(xing)優化補償，在不增加(jia)電(dian)流的情況下，允許電(dian)機(ji)產出大(da)的轉矩。此(ci)功能對改善電(dian)機(ji)低(di)速時溫(wen)升也有(you)效(xiao)。