變頻器的基本運行原理

（一）變頻的基本概念
　　1.什么是變頻器？
　　*$: VVVF
　　　　 改變電壓、改變頻率（Variable Voltage and Variable Frequency）的縮寫。
　　*$: 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，其電壓和頻率一般為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”。為了產生可變的電壓和頻率，該設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，其科學術語為“inverter”(逆變器)。由于變頻器設備中產生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器
　　變頻器也可用于家電等領域。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。
　　2. 變頻器和軟啟動器的區別
　　變頻器：變頻變壓。主要作用是調速，節能和軟起動。
　　軟啟動器：僅改變電壓。主要作用是降低起動電流和沖擊。
（二）變頻器的基本運行原理
　　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）的旋轉速度近似地取決于電機的極數和頻率。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），所以一般不適合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
　　（2）改變頻率和電壓是比較優的電機控制方法
　　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，比較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比較大轉矩要小于直接用工頻電源驅動的對應轉矩。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, 變頻器的比較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-->比較大轉矩不變)
　　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比較高載波頻率, 比較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。　　
　　（2）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（比較大約為額定轉矩的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"。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。
　　（三）變頻器制動的情況
　　1. 再生制動的概念
　　指電能從電機側流到變頻器側（或供電電源側）,這時電機的轉速高于同步轉速。負載的能量分為動能和勢能. 動能(由速度和重量確定其大小)隨著物體的運動而累積。當動能減為零時，該事物就處在停止狀態。機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉換為摩擦和能消耗掉。對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉速將跟隨頻率同樣降低。這時會產生制動過程. 由制動產生的功率將返回到變頻器側，使直流側的電壓升高。這些能量可以通過變頻器本身的發熱消耗，如果不夠的化，還需要用電阻發熱消耗。制動產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的方法叫做"功率返回再生方法"。在實際中，這種應用需要"能量回饋單元"選件。
　　2.直流制動
　　減速時，變頻器對電機定子注入直流電，通過電機的發熱來消耗能量， 改善制動效果。直流制動也可以用于使電機在零速時停的穩一點，防止受外力作用而使電機轉動。要注意制動制動時間和電壓不要設的太大，防止電機過熱。
　　3.公用直流母線
　　一般用于工程型變頻器，在鋼鐵、造紙等行業用的較多。多臺逆變器使用一個公共的整流和直流環節，技術上有很多優點。但價格較高，用的不多，尤其是中小功率的場合。
　　（四）電源的頻率和電壓
　　1.電源的頻率:

電源頻率同變頻器輸出頻率沒有關系，變頻器電源側（輸入側）和電機側（輸出側）沒有聯系。由于在變頻器中，首先把交流電轉換為直流電，所以變頻器輸出側不受輸入側電源的影響。變頻器額定供電頻率一般為50Hz/60Hz (+/- 5%)。
　　2.電源的電壓
　　低壓變頻器的常用電壓等級：在中國, 低于變頻器的常用電壓等級為: 單相220V, 3相400V；其他地區還有: 單相110V, 3相230V ,3相575V ,3相690V等
　　中壓變頻器的電壓等級:中壓變頻器也經常被被稱為高壓變頻器.常用的電壓等級為3kV, 3.3kV, 6kV, 6.6kV. 中國6kV居多。10kV的產品目前還比較少(雖然10kV的電機并不少)
　　其他:還有一些相對比較專用的電壓等級,有的還會用到直流供電, 如礦山, 電力機車等
　　3.注意當使用單相（200V）電源給三相200V的變頻器供電時，要考慮下面的幾點:
　　（1）.一般小容量變頻器 (<2.2kW)才可以這樣做.
　　（2）. 這時輸出電壓是3相220V, 因此電機要使用3相220V的.
　　（3）. 額定輸出電流和比較大輸出電流可能會減小,具體程度不同的變頻器可能會不同.
　　（五） 變頻器的散熱
　　1. 如果要正確的使用變頻器, 必須認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的上升，使用壽命隨溫度升高而成指數的下降。環境溫度升高10度，變頻器平均使用壽命減半。在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產生的熱量也是非常大的，不能忽視其發熱所產生的影響。通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發熱量大概是多少. 可以用以下公式估算:
　　　　 發熱量的近似值＝ 變頻器容量（KW）×55 [W]
　　在這里, 如果變頻器容量是以恒轉矩負載為準的 (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, 這時發熱量會更大一些。 電抗器安裝在變頻器側面或測上方比較好。這時可以用估算: 變頻器容量（KW）×60 [W] 因為各變頻器廠家的硬件都差不多, 所以上式可以針對各品牌的產品.
　　注意： 如果有制動電阻的話，因為制動電阻的散熱量很大， 因此比較好安裝位置比較好和變頻器隔離開， 如裝在柜子上面或旁邊等。
　　2. 怎樣降低控制柜內的發熱量?
　　當變頻器安裝在控制機柜中時，要考慮變頻器發熱值的問題。根據機柜內產生熱量值的增加，要適當地增加機柜的尺寸。因此，要使控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要使機柜中產生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面，將會使變頻器有70％的發熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發熱量，所以對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。
　　注意：變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的，橫著放散熱會變差的!
　　3. 關于冷卻風扇
　　一般功率稍微大一點的變頻器，都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。注意控制柜和變頻器上的風扇都是要的，不能誰替代誰。
　　4.其它關于散熱的問題
　　（1）在海拔高于1000m的地方，因為空氣密度降低，因此應加大柜子的冷卻風量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應考慮降容，每1000m降低5%。但由于實際上因為設計上變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大， 所以也要看具體應用。比方說在1500m的地方，但是周期性負載，如電梯，就不必要降容。
　　（2）開關頻率：變頻器的發熱主要來自于IGBT， IGBT的發熱有集中在開和關的瞬間。 因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大了。有的廠家宣稱降低開關頻率可以擴容， 就是這個原理。