變頻器基礎原理

tags:    時間:2014-03-07 21:58:55
變頻器基礎原理簡介
一、變頻器基礎   VVVF   改變電壓、改變頻率(Variable Voltage and Variable Frequency)   CVCF   恆電壓、恆頻率(Consta……
變頻器基礎原理正文

一、變頻器基礎

VVVF
改變電壓、改變頻率(Variable Voltage and Variable Frequency)

CVCF
恆電壓、恆頻率(Constant Voltage and Constant Frequency)
 各國使用的交流供電電源,無論是用於家庭還是用於工廠,其電壓和頻率均為200V/60Hz(50Hz)或100V/60Hz(50Hz)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)。由於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。汽車上使用的由電池(直流電)產生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。
變頻器的工作原理被廣泛應用於各個領域。例如計算機電源的供電,在該項應用中,變頻器用於抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。它也可用於一些家電產品,如:電機、空調、熒光燈等。用於電機控制的變頻器,既可以改變電壓,又可以改變頻率;但用於熒光燈的變頻器主要用於調節電源供電的頻率;

二、電機的旋轉速度為什麼能夠自由地改變?改變頻率和電壓是最優的電機控制方法。

r/min
電機旋轉速度單位:每分鐘旋轉次數,也可表示為rpm.。

如:4極電機 60Hz 1,800 [r/min]; 4極電機 50Hz 1,500 [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,在工業領域所使用的大部分電機均為此類型電機。感應式交流電機(以後簡稱為電機)的旋轉速度近似地確決於電機的極數和頻率。由電機的工作原理決定電機的極數是固定不變的,由於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),所以不適和改變該值來調整電機的速度。另外,頻率是電機供電電源的電信號,所以該值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:電機極數
 如果僅改變頻率,電機將被燒壞。特別是當頻率降低時,該問題就非常突出。為了防止電機燒毀事故的發生,變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。例如:為了使電機的旋轉速度減半,變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz,這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。又如:為了使電機的旋轉速度減半,變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz,這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。

三、使用變頻器時,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,變頻器使用壽命減半。通常,變頻器安裝在控制櫃中,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。我們要了解一台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]
 在這裡, 如果變頻器容量是以恆轉矩負載為準的 (過流能力150% * 60s),變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器,並且放於櫃中,這時發熱量會更大一些。因此,電抗器安裝在變頻器側面或測上方比較好。這時可以估算:變頻器容量(KW)×60 [W]
因為各變頻器廠家的硬體都差不多,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, 因此最好安裝位置最好和變頻器隔離開,如裝在柜子上面或旁邊等。
怎樣才能降低控制櫃內的發熱量?
 當變頻器安裝在控制機櫃中時,要考慮變頻器發熱值的問題。當機櫃內產生熱量值增加時,應適當地增加機櫃的尺寸。因此,要想使用小尺寸的控制機櫃,就必須使機櫃中產生的熱量值儘可能地減少。在變頻器安裝時,把變頻器的散熱器部分放到控制機櫃的外面,將會使變頻器有70%的發熱量釋放到控制機櫃的外面。由於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好。變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的,橫放散熱會變差的!
關於冷卻風扇
 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櫃(注意:控制櫃和變頻器上的風扇都是必要的)。
其他關於散熱的問題
(1) 在海拔高於1000m的地方,空氣密度低,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,1000m每-5%。但由於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。例如:在1500m的地方,但使用的是周期性負載(如電梯),則變頻器不必降容。
(2) 開關頻率:變頻器的發熱主要來自於IGBT,而IGBT的發熱集中在開/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,就是這個道理。

四、控制是怎樣使電機具有大的轉矩的?轉矩提升
 此功能增加變頻器的輸出電壓,以使電機的輸出轉矩和電壓的平方成正比增加,從而改善電機的輸出轉矩。使用"矢量控制",可使電機在低速時,如(無速度感測器時)1Hz(對4極電機,其轉速大約為30r/min),輸出轉矩達到電機在50Hz供電輸出的轉矩(最大約為額定轉矩的150%)。對於常規的V/F控制,電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加,這就導致由於勵磁不足,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,電機轉矩並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"還可通過對電機端的電壓降的響應,進行優化補償,從而,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。

五、變頻器制動的情況
制動的概念
 指電能從電機側流到變頻器側(或供電電源側),這時電機的轉速高於同步轉速。
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。對於變頻器,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,可用電阻發熱消耗。當用於提升類負載下降時, 能量(勢能)也要返回到變頻器(或電源)側進行制動,這種操作方法被稱作"再生制動",該方法也可用於變頻器制動。在減速期間,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。
怎樣提高制動能力?
 用散熱來消耗再生功率,需要在變頻器側安裝制動電阻;而改善制動能力,不能期望*增加變頻器的容量來解決問題。應選用"制動電阻"、"制動單元"或"功率再生變換器"等選件來改善變頻器的制動容量。

六、當電機的旋轉速度改變時,其輸出轉矩會怎樣?

工頻電源
由電網提供的動力電源(商用電源)

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最大轉矩小於直接工頻電源驅動轉矩。我們常聽到下面的說法:"電機在工頻電源供電時時,電機的起動和加速衝擊很大,而當使用變頻器供電時,這些衝擊就要弱一些"。如果用大的電壓和頻率起動電機,如:使用工頻電網直接供電,則將產生一個大的起動衝擊(大的起動電流)。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,所以電機產生的轉矩小於工頻電網供電的轉矩值,從而,變頻器驅動的電機起動電流要小些。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)。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。但當變頻器調速到大於60Hz頻率時,電機的輸出轉矩將降低。通常電機按50Hz(60Hz)電壓設計製造的,其額定轉矩也是在這個電壓範圍內給出的,因此,額定頻率下的調速稱為恆轉矩調速(T=Te, P<=Pe) 。變頻器輸出頻率大於50Hz頻率時,電機產生的轉矩將以和頻率成反比的線性關係下降。當電機以大於60Hz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。舉例說,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恆功率調速. (P = Ue × Ie)。

 

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