變頻器知識大全-工作原理
發(fā)布時間：2019-07-11 11:57:38來源：
變頻器工作原理
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：改變頻率和電壓是比較優(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，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(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)矩和比較大轉(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(fù)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(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 UI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--比較大轉(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(biāo)的額定電流都是以比較高載波頻率 比較高環(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(hù)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?fù)p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(dá)到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（比較大約為額定轉(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(jìn)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(jìn)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。
1、什么是變頻器？
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。
2、PWM和PAM的不同點是什么？
PWM是英文Pulse Width Modulation(脈沖寬度調(diào)制)縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。
PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脈沖幅度調(diào)制) 縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。
3、電壓型與電流型有什么不同？
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。
4、為什么變頻器的電壓與電流成比例的改變？
異步電動機的轉(zhuǎn)矩是電機的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時將燒毀電機。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種控制方式多用于風(fēng)機、泵類節(jié)能型變頻器。
5、電動機使用工頻電源驅(qū)動時，電壓下降則電流增加；對于變頻器驅(qū)動，如果頻率下降時電壓也下降，那么電流是否增加？
頻率下降（低速）時如果輸出相同的功率則電流增加但在轉(zhuǎn)矩一定的條件下電流幾乎不變。
6、采用變頻器運轉(zhuǎn)時，電機的起動電流、起動轉(zhuǎn)矩怎樣？
采用變頻器運轉(zhuǎn)，隨著電機的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，起動電流被限制在150%額定電流以下(根據(jù)機種不同，為125%~200%)。用工頻電源直接起動時，起動電流為
6~7倍，因此，將產(chǎn)生機械電氣上的沖擊。采用變頻器傳動可以平滑地起動(起動時間變長)。起動電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動轉(zhuǎn)矩為70%~120%額定轉(zhuǎn)矩；對于帶有轉(zhuǎn)矩自動增強功能的變頻器，起動轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動。
7、V/f模式是什么意思？
頻率下降時電壓V也成比例下降，這個問題已在回答4說明。V與f的比例關(guān)系是考慮了電機特性而預(yù)先決定的，通常在控制器的存儲裝置（ROM）中存有幾種特性，可以用開關(guān)或標(biāo)度盤進(jìn)行選擇
8、按比例地改V和f時，電機的轉(zhuǎn)矩如何變化？
頻率下降時完全成比例地降低電壓，那么由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速下產(chǎn)生地轉(zhuǎn)矩有減小的傾向。因此，在低頻時給定V/f要使輸出電壓提高一些以便獲得一定地起動轉(zhuǎn)矩這種補償稱增強起動。可以采用各種方法實現(xiàn)有自動進(jìn)行的方法、選擇V/f模式或調(diào)整電位器等方法
9、在說明書上寫著變速范圍60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就沒有輸出功率嗎？
在6Hz以下仍可輸出功率，但根據(jù)電機溫升和起動轉(zhuǎn)矩的大小等條件，比較低使用頻率取6Hz左右，此時電動機可輸出額定轉(zhuǎn)矩而不會引起嚴(yán)重的發(fā)熱問題。變頻器實際輸出頻率（起動頻率）根據(jù)機種為0.5~3Hz.
10、對于一般電機的組合是在60Hz以上也要求轉(zhuǎn)矩一定，是否可以？
通常情況下時不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）電壓不變，大體為恒功率特性，在 高速下要求相同轉(zhuǎn)矩時，必須注意電機與變頻器容量的選擇。
11、所謂開環(huán)是什么意思？
給所使用的電機裝置設(shè)速度檢出器（PG），將實際轉(zhuǎn)速反饋給控制裝置進(jìn)行控制的，稱為“閉環(huán) ”，不用PG運轉(zhuǎn)的就叫作“開環(huán)”。通用變頻器多為開環(huán)方式，也有的機種利用選件可進(jìn)行PG反饋.
12、實際轉(zhuǎn)速對于給定速度有偏差時如何辦？
開環(huán)時，變頻器即使輸出給定頻率，電機在帶負(fù)載運行時，電機的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)差率的范圍內(nèi)（1%~5%）變動。對于要求調(diào)速精度比較高，即使負(fù)載變動也要求在近于給定速度下運轉(zhuǎn)的場合，可采用具有PG反饋功能的變頻器（選用件）。
13、如果用帶有PG的電機，進(jìn)行反饋后速度精度能提高嗎？
具有ＰＧ反饋功能的變頻器，精度有提高。但速度精度的植取決于ＰＧ本身的精度和變頻器輸出頻率的分辨率。
14、失速防止功能是什么意思？
如果給定的加速時間過短，變頻器的輸出頻率變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)速（電角頻率）的變化，變頻器將因流過過電流而跳閘，運轉(zhuǎn)停止，這就叫作失速。為了防止失速使電機繼續(xù)運轉(zhuǎn)，就要檢出電流的大小進(jìn)行頻率控制。當(dāng)加速電流過大時適當(dāng)放慢加速速率。減速時也是如此。兩者結(jié)合起來就是失速功能。
15、有加速時間與減速時間可以分別給定的機種，和加減速時間共同給定的機種，這有什么意義？
加減速可以分別給定的機種，對于短時間加速、緩慢減速場合，或者對于小型機床需要嚴(yán)格給定生產(chǎn)節(jié)拍時間的場合是適宜的，但對于風(fēng)機傳動等場合，加減速時間都較長，加速時間和減速時間可以共同給定。
16、什么是再生制動？
電動機在運轉(zhuǎn)中如果降低指令頻率，則電動機變?yōu)楫惒桨l(fā)電機狀態(tài)運行，作為制動器而工作，這就叫作再生（電氣）制動。
17、是否能得到更大的制動力？
從電機再生出來的能量貯積在變頻器的濾波電容器中，由于電容器的容量和耐壓的關(guān)系，通用變頻器的再生制動力約為額定轉(zhuǎn)矩的10%~20%。如采用選用件制動單元，可以達(dá)到50%~100%。
18、請說明變頻器的保護(hù)功能?
保護(hù)功能可分為以下兩類：
（1） 檢知異常狀態(tài)后自動地進(jìn)行修正動作，如過電流失速防止，再生過電壓失速防止。
（2） 檢知異常后封鎖電力半導(dǎo)體器件PWM控制信號，使電機自動停車。如過電流切斷、再生過電壓切斷、半導(dǎo)體冷卻風(fēng)扇過熱和瞬時停電保護(hù)等。
19、為什么用離合器連續(xù)負(fù)載時，變頻器的保護(hù)功能就動作？
用離合器連接負(fù)載時，在連接的瞬間，電機從空載狀態(tài)向轉(zhuǎn)差率大的區(qū)域急劇變化，流過的大電流導(dǎo)致變頻器過電流跳閘，不能運轉(zhuǎn)。
20、在同一工廠內(nèi)大型電機一起動，運轉(zhuǎn)中變頻器就停止，這是為什么？
電機起動時將流過和容量相對應(yīng)的起動電流，電機定子側(cè)的變壓器產(chǎn)生電壓降，電機容量大時此壓降影響也大，連接在同一變壓器上的變頻器將做出欠壓或瞬停的判斷，因而有時保護(hù)功能（IPE）動作，造成停止運轉(zhuǎn)。
21、什么是變頻分辨率？有什么意義？
對于數(shù)字控制的變頻器，即使頻率指令為模擬信號，輸出頻率也是有級給定。這個級差的比較小單位就稱為變頻分辨率。
變頻分辨率通常取值為0.015~0.5Hz.例如，分辨率為0.5Hz，那么23Hz的上面可變?yōu)?3.5、24.0 Hz，因此電機的動作也是有級的跟隨。這樣對于像連續(xù)卷取控制的用途就造成問題。在這種情況下，如果分辨率為0.015Hz左右，對于4級電機1個級差為1r/min 以下，也可充分適應(yīng)。另外，有的機種給定分辨率與輸出分辨率不相同。
22、裝設(shè)變頻器時安裝方向是否有限制。
變頻器內(nèi)部和背面的結(jié)構(gòu)考慮了冷卻效果的，上下的關(guān)系對通風(fēng)也是重要的，因此，對于單元型在盤內(nèi)、掛在墻上的都取縱向位，盡可能垂直安裝。
23、不采用軟起動，將電機直接投入到某固定頻率的變頻器時是否可以？
在很低的頻率下是可以的，但如果給定頻率高則同工頻電源直接起動的條件相近。將流過大的起動電流（6~7倍額定電流），由于變頻器切斷過電流，電機不能起動。
24、電機超過60Hz運轉(zhuǎn)時應(yīng)注意什么問題？
超過60Hz運轉(zhuǎn)時應(yīng)注意以下事項
(1)機械和裝置在該速下運轉(zhuǎn)要充分可能（機械強度、噪聲、振動等）。
（2） 電機進(jìn)入恒功率輸出范圍，其輸出轉(zhuǎn)矩要能夠維持工作（風(fēng)機、泵等軸輸出功率于速度的立方成比例增加，所以轉(zhuǎn)速少許升高時也要注意）。
(3) 產(chǎn)生軸承的壽命問題，要充分加以考慮。
（4） 對于中容量以上的電機特別是2極電機，在60Hz以上運轉(zhuǎn)時要與廠家仔細(xì)商討。
25、變頻器可以傳動齒輪電機嗎？
根據(jù)減速機的結(jié)構(gòu)和潤滑方式不同，需要注意若干問題。在齒輪的結(jié)構(gòu)上通常可考慮70~80Hz為比較大極限，采用油潤滑時，在低速下連續(xù)運轉(zhuǎn)關(guān)系到齒輪的損壞等。
26、變頻器能用來驅(qū)動單相電機嗎？可以使用單相電源嗎？
機基本上不能用。對于調(diào)速器開關(guān)起動式的單相電機，在工作點以下的調(diào)速范圍時將燒毀
輔助繞組；對于電容起動或電容運轉(zhuǎn)方式的，將誘發(fā)電容器爆炸。變頻器的電源通常為3相，但對于小容量的，也有用單相電源運轉(zhuǎn)的機種。
27、變頻器本身消耗的功率有多少？
它與變頻器的機種、運行狀態(tài)、使用頻率等有關(guān)，但要回答很困難。不過在60Hz以下的變頻器效率大約為94%~96%，據(jù)此可推算損耗，但內(nèi)藏再生制動式（FR-K）變頻器，如果把制動時的損耗也考慮進(jìn)去，功率消耗將變大，對于操作盤設(shè)計等必須注意。
28、為什么不能在6~60Hz全區(qū)域連續(xù)運轉(zhuǎn)使用？
一般電機利用裝在軸上的外扇或轉(zhuǎn)子端環(huán)上的葉片進(jìn)行冷卻，若速度降低則冷卻效果下降，因而不能承受與高速運轉(zhuǎn)相同的發(fā)熱，必須降低在低速下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，或采用容量大的變頻器與電機組合，或采用專用電機。
29、使用帶制動器的電機時應(yīng)注意什么？
制動器勵磁回路電源應(yīng)取自變頻器的輸入側(cè)。如果變頻器正在輸出功率時制動器動作，將造成過電流切斷。所以要在變頻器停止輸出后再使制動器動作。
30、想用變頻器傳動帶有改善功率因數(shù)用電容器的電機，電機卻不動，清說明原因
變頻器的電流流入改善功率因數(shù)用的電容器，由于其充電電流造成變頻器過電流(OCT)所以不能起動，作為對策，請將電容器拆除后運轉(zhuǎn)，甚至改善功率因數(shù)，在變頻器的輸入側(cè)接入AC電抗器是有效的。
31、變頻器的壽命有多久？
變頻器雖為靜止裝置，但也有像濾波電容器、冷卻風(fēng)扇那樣的消耗器件，如果對它們進(jìn)行定期的維護(hù)，可望有10年以上的壽命。
32、變頻器內(nèi)藏有冷卻風(fēng)扇，風(fēng)的方向如何？風(fēng)扇若是壞了會怎樣？
對于小容量也有無冷卻風(fēng)扇的機種。有風(fēng)扇的機種，風(fēng)的方向是從下向上，所以裝設(shè)變頻器的地方，上、下部不要放置妨礙吸、排氣的機械器材。還有，變頻器上方不要放置怕熱的零件等。風(fēng)扇發(fā)生故障時，由電扇停止檢測或冷卻風(fēng)扇上的過熱檢測進(jìn)行保護(hù)
33、濾波電容器為消耗品，那么怎樣判斷它的壽命？
作為濾波電容器使用的電容器，其靜電容量隨著時間的推移而緩緩減少，定期地測量靜電容量，以達(dá)到產(chǎn)品額定容量的85%時為基準(zhǔn)來判斷壽命。
34、裝設(shè)變頻器時安裝方向是否有限制。
應(yīng)基本收藏在盤內(nèi)，問題是采用全封閉結(jié)構(gòu)的盤外形尺寸大，占用空間大，成本比較高。其措施有：
（1）盤的設(shè)計要針對實際裝置所需要的散熱；
（2）利用鋁散熱片、翼片冷卻劑等增加冷卻面積；
（3） 采用熱導(dǎo)管。
此外，已開發(fā)出變頻器背面可以外露的型式。
35、想提高原有輸送帶的速度，以80Hz運轉(zhuǎn)，變頻器的容量該怎樣選擇？
設(shè)基準(zhǔn)速度為50Hz50Hz以上為恒功率輸出特性。像輸送帶這樣的恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載增速時，容量 需要增大為80/50≈1.6倍。電機容量也像變頻器一樣增大.