变频器的基本运行原理

（一）变频的基本概念
　　1.什么是变频器？
　　*$: VVVF
　　　　 改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）的缩写。
　　*$: CVCF
　　　　 恒电压、恒频率（Constant Voltage and Constant Frequency）的缩写
　　各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率一般为400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器
　　变频器也可用于家电等领域。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。
　　2. 变频器和软启动器的区别
　　变频器：变频变压。主要作用是调速，节能和软起动。
　　软启动器：仅改变电压。主要作用是降低起动电流和冲击。
（二）变频器的基本运行原理
　　1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
　　（1）r/min：电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm。例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min]；4极电机：50Hz 1500 [r/min]
    电机的旋转速度同频率成比例，本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的，由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适合通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。 因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。
　　　　 n = 60f/p
　　　　n: 同步速度
　　　　f: 电源频率
　　　　p: 电机极对数
　　（2）改变频率和电压是最优的电机控制方法
　　如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V。
　　2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？
　　（1）工频电源：由电网提供的动力电源（商用电源）
　　（2）起动电流：当电机开始运转时，变频器的输出电流
　　变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动的对应转矩。电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
　　3.当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低

通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe)。变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)
　　4. 变频器50Hz以上的应用情况
　　大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上。当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.这时的转矩情况怎样呢?
　　因为P=wT (w:角速度, T:转矩). 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减小。我们还可以再换一个角度来看:电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感应电势)
可以看出, U,I不变时, E也不变。而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当f由50-->60Hz时, X会相应减小。对于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。同时, 小于50Hz时,由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变)
　　结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机的输出转矩会减小.
　　5. 其他和输出转矩有关的因素
　　发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。
　　载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。
　　环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.
　　海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.
　　6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？
　　（1）转矩提升：此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。　　
　　（2）改善电机低速输出转矩不足的技术
　　使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。"矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。"矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。
　　（三）变频器制动的情况
　　1. 再生制动的概念
　　指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速。负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小)随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧，使直流侧的电压升高。这些能量可以通过变频器本身的发热消耗，如果不够的化，还需要用电阻发热消耗。制动产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做"功率返回再生方法"。在实际中，这种应用需要"能量回馈单元"选件。
　　2.直流制动
　　减速时，变频器对电机定子注入直流电，通过电机的发热来消耗能量， 改善制动效果。直流制动也可以用于使电机在零速时停的稳一点，防止受外力作用而使电机转动。要注意制动制动时间和电压不要设的太大，防止电机过热。
　　3.公用直流母线
　　一般用于工程型变频器，在钢铁、造纸等行业用的较多。多台逆变器使用一个公共的整流和直流环节，技术上有很多优点。但价格较高，用的不多，尤其是中小功率的场合。
　　（四）电源的频率和电压
　　1.电源的频率:

电源频率同变频器输出频率没有关系，变频器电源侧（输入侧）和电机侧（输出侧）没有联系。由于在变频器中，首先把交流电转换为直流电，所以变频器输出侧不受输入侧电源的影响。变频器额定供电频率一般为50Hz/60Hz (+/- 5%)。
　　2.电源的电压
　　低压变频器的常用电压等级：在中国, 低于变频器的常用电压等级为: 单相220V, 3相400V；其他地区还有: 单相110V, 3相230V ,3相575V ,3相690V等
　　中压变频器的电压等级:中压变频器也经常被被称为高压变频器.常用的电压等级为3kV, 3.3kV, 6kV, 6.6kV. 中国6kV居多。10kV的产品目前还比较少(虽然10kV的电机并不少)
　　其他:还有一些相对比较专用的电压等级,有的还会用到直流供电, 如矿山, 电力机车等
　　3.注意当使用单相（200V）电源给三相200V的变频器供电时，要考虑下面的几点:
　　（1）.一般小容量变频器 (<2.2kW)才可以这样做.
　　（2）. 这时输出电压是3相220V, 因此电机要使用3相220V的.
　　（3）. 额定输出电流和最大输出电流可能会减小,具体程度不同的变频器可能会不同.
　　（五） 变频器的散热
　　1. 如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题.
　　变频器的故障率随温度升高而成指数的上升，使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器平均使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算:
　　　　 发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）×55 [W]
　　在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 (过流能力150% * 60s)。如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算: 变频器容量（KW）×60 [W] 因为各变频器厂家的硬件都差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品.
　　注意： 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。
　　2. 怎样降低控制柜内的发热量?
　　当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。
　　注意：变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的!
　　3. 关于冷却风扇
　　一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。
　　4.其它关于散热的问题
　　（1）在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，每1000m降低5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。
　　（2）开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT， IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容， 就是这个原理。