變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、再次整流(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。
1. 電機的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變?
*1: r/min
電機旋轉(zhuǎn)速度單位:每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù),也可表示為rpm.
例如:2極電機 50Hz 3000 [r/min]
4極電機 50Hz 1500 [r/min]
結(jié)論:電機的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例
本文中所指的電機為感應(yīng)式交流電機,在工業(yè)中所使用的大部分電機均為此類型電機。感應(yīng)式交流電機(以后簡稱為電機)的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機的極數(shù)和頻率。由電機的工作原理決定電機的極數(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),所以一般不適和通過改變該值來調(diào)整電機的速度。
另外,頻率能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機,這樣電機的旋轉(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: 電機極對數(shù)
結(jié)論:改變頻率和電壓是最優(yōu)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(dǎo)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(xù)增加,最高只能是等于電機的額定電壓。
例如:為了使電機的旋轉(zhuǎn)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(dāng)電機的旋轉(zhuǎn)速度(頻率)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)電機開始運轉(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
電機在工頻電源供電時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。工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動起動電流。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上的,所以電機起動電流和沖擊要小些。
通常,電機產(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,將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足,甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
3. 當(dāng)變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時,電機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
通常的電機是按50Hz電壓設(shè)計制造的,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(zhuǎn)矩的不足。
舉例,電機在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)
4. 變頻器50Hz以上的應(yīng)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(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?
因為P=wT (w:角速度, T:轉(zhuǎn)矩). 因為P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, 電機的輸出轉(zhuǎn)矩會減小.
5. 其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)的因素
發(fā)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(zhuǎn)矩能力。
載波頻率: 一般變頻器所標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. 降低載波頻率, 電機的電流不會受到影響。但元器件的發(fā)熱會減小。
環(huán)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(zhuǎn)矩能力的?
*1: 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩損失,從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩。
$ 改善電機低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù)
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(zhuǎn)速大約為30r/min)時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩(最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%)。
對于常規(guī)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(dǎo)致由于勵磁不足,而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)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(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,電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應(yīng)的提高。 因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量(如勵磁分量)的數(shù)值。
"矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應(yīng),進行優(yōu)化補償,在不增加電流的情況下,允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。