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变频器工作原理基础

日期: 2012-08-01
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      1、基本概念
  (1) VVVF 改变电压、改变频率(Variable Voltage and Variable Frequency)的缩写。 
  (2) 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,其电压和频率均200V/60Hz(50Hz)或100V/60Hz(50Hz)。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,该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电(DC)。然后再把直流电(DC)变换为三相或单相交流电(AC),我们把实现这种转换的装置称为“变频器”(inverter)。
  变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机(例如空调等),还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池(直流电)产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电,在该项应用中,变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。
  2. 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:4极电机 60Hz 1,800 [r/min],4极电机 50Hz 1,500 [r/min],电机的旋转速度同频率成比例。
  (2) 本文中所指的电机为感应式交流电机,在工业领域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。电机的极数是固定不变的。由于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),所以不适合改变极对数来调节电机的速度。另外,频率是电机供电电源的电信号,所以该值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。
  (3) n = 60f/p,n: 同步速度,f: 电源频率 ,p: 电机极数,改变频率和电压是最优的电机控制方法 。如果仅改变频率,电机将被烧坏。特别是当频率降低时,该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生,变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压,例如:为了使电机的旋转速度减半,变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz,这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。例如:为了使电机的旋转速度减半,变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz,这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。
  3、关于散热的问题
  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,变频器使用寿命减半。因此,我们要重视散热问题啊!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。 
  另外,散热问题还要注意以下两个问题:
  (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,1000m每-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, 就是这个道理。
  4、矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的? 
  (1) 转矩提升:此功能增加变频器的输出电压,以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加,从而改善电机的输出转矩。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"(*1)。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。
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