變(bian)頻器控制電機轉速原理

變頻器主要(yao)由整流(liu)(liu)（交流(liu)(liu)變(bian)直(zhi)流(liu)(liu)）、濾波、再次整流(liu)(liu)（直(zhi)流(liu)(liu)變(bian)交流(liu)(liu)）、制動單元(yuan)、驅動單元(yuan)、檢測單元(yuan)微處(chu)理單元(yuan)等組(zu)成的。

本文中所指的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)為感應(ying)式交流電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，在工(gong)業中所使(shi)用的(de)(de)大部分(fen)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)均為此類型電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)。感應(ying)式交流電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)（以后簡稱為電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)）的(de)(de)旋轉速(su)度近似(si)地確決于(yu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)極(ji)數(shu)(shu)(shu)和頻率。由(you)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理決定(ding)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)極(ji)數(shu)(shu)(shu)是固定(ding)不變的(de)(de)。由(you)于(yu)該極(ji)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)不是一個連(lian)續(xu)的(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值(zhi)（為2的(de)(de)倍數(shu)(shu)(shu)，例如極(ji)數(shu)(shu)(shu)為2，4，6），所以一般不適和通過改變該值(zhi)來調整電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)速(su)度。

另(ling)外，頻率能(neng)夠在電(dian)機(ji)的(de)(de)外面(mian)調(diao)節后(hou)再供給(gei)電(dian)機(ji)，這樣(yang)電(dian)機(ji)的(de)(de)旋轉(zhuan)速度就(jiu)可以被自由(you)的(de)(de)控(kong)制。

因此，以(yi)控(kong)制頻率(lv)為(wei)目(mu)的的變頻器(qi)，是(shi)作為(wei)電(dian)機調(diao)速設備的優選設備。

結論：改變頻率和電壓是(shi)最優的電機控(kong)制方法。

如果僅改(gai)變(bian)(bian)頻(pin)率(lv)而不(bu)改(gai)變(bian)(bian)電(dian)(dian)壓，頻(pin)率(lv)降低時會(hui)使電(dian)(dian)機(ji)出(chu)于過電(dian)(dian)壓（過勵磁），導致(zhi)電(dian)(dian)機(ji)可能被(bei)燒壞。因此變(bian)(bian)頻(pin)器在改(gai)變(bian)(bian)頻(pin)率(lv)的同時必須(xu)要同時改(gai)變(bian)(bian)電(dian)(dian)壓。輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)在額(e)定(ding)頻(pin)率(lv)以上(shang)時，電(dian)(dian)壓卻(que)不(bu)可以繼續增加(jia)，最(zui)高(gao)只能是等于電(dian)(dian)機(ji)的額(e)定(ding)電(dian)(dian)壓。

工頻電源：由電網提(ti)供的(de)動力電源（商用電源）。

起(qi)動(dong)電(dian)流(liu)(liu)：當電(dian)機(ji)開始運轉時，變頻(pin)器的輸(shu)出電(dian)流(liu)(liu)。

變頻器驅(qu)動(dong)(dong)時(shi)的起(qi)動(dong)(dong)轉(zhuan)矩(ju)和最大轉(zhuan)矩(ju)要小(xiao)于直接用(yong)工頻電源驅(qu)動(dong)(dong)。

電(dian)機(ji)(ji)(ji)在工頻(pin)電(dian)源供(gong)電(dian)時起動(dong)和加(jia)速沖(chong)擊很大，而當(dang)使用變(bian)頻(pin)器(qi)供(gong)電(dian)時，這些(xie)(xie)沖(chong)擊就(jiu)要弱(ruo)一(yi)些(xie)(xie)。工頻(pin)直接起動(dong)會產生一(yi)個大的(de)起動(dong)起動(dong)電(dian)流(liu)(liu)。而當(dang)使用變(bian)頻(pin)器(qi)時，變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)輸出電(dian)壓和頻(pin)率是逐(zhu)漸加(jia)到電(dian)機(ji)(ji)(ji)上的(de)，所以電(dian)機(ji)(ji)(ji)起動(dong)電(dian)流(liu)(liu)和沖(chong)擊要小些(xie)(xie)。

通常，電機產生的(de)轉矩要隨頻率(lv)的(de)減(jian)小（速度(du)降(jiang)低(di)）而減(jian)小。減(jian)小的(de)實際數據(ju)在有的(de)變(bian)頻器手冊中會給出(chu)說明。

通(tong)過使用(yong)磁(ci)通(tong)矢量控制的變頻(pin)器，將改善電機(ji)低速時轉(zhuan)矩(ju)的不足(zu)，甚至在低速區(qu)電機(ji)也(ye)可(ke)輸出足(zu)夠的轉(zhuan)矩(ju)。

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1、當變頻器調速到大于50Hz頻率時，電機的輸出轉矩將降低

通常的(de)(de)(de)電機是(shi)按50Hz電壓設計制造的(de)(de)(de)，其額(e)定(ding)轉矩(ju)也是(shi)在這個(ge)電壓范圍內給出的(de)(de)(de)。因此(ci)在額(e)定(ding)頻率之(zhi)下的(de)(de)(de)調(diao)速稱為恒轉矩(ju)調(diao)速.(T=Te,P<=Pe)

變頻(pin)器輸出頻(pin)率(lv)大于50Hz頻(pin)率(lv)時，電機產生的轉矩要以和(he)頻(pin)率(lv)成反比的線性(xing)關(guan)系(xi)下(xia)降。

當(dang)電(dian)機以(yi)大于50Hz頻率速度(du)運行時，電(dian)機負載的大小(xiao)必須要給予(yu)考慮，以(yi)防(fang)止(zhi)電(dian)機輸出(chu)轉矩的不足。

舉例，電機在100Hz時產(chan)生(sheng)(sheng)的轉矩大約要降低到50Hz時產(chan)生(sheng)(sheng)轉矩的1/2。

因此在額(e)定頻率之上的調速稱為恒功率調速(P=Ue*Ie)。

2、變頻器50Hz以上的應用情況

大家知道，對一個特定的(de)(de)電機來說，其(qi)額(e)定電壓和額(e)定電流是(shi)不變的(de)(de)。

如變頻器和電機(ji)額(e)定(ding)值都(dou)是：15kW/380V/30A，電機(ji)可以工作(zuo)在50Hz以上。

當轉速為(wei)50Hz時，變(bian)(bian)頻器的(de)輸(shu)出電(dian)(dian)壓(ya)為(wei)380V，電(dian)(dian)流(liu)為(wei)30A。這時如(ru)果(guo)增大(da)輸(shu)出頻率到60Hz，變(bian)(bian)頻器的(de)最大(da)輸(shu)出電(dian)(dian)壓(ya)電(dian)(dian)流(liu)還只能為(wei)380V/30A。很顯然(ran)輸(shu)出功率不變(bian)(bian)，所以我們稱之為(wei)恒功率調速。

這時的轉矩情況(kuang)怎樣(yang)呢？

因為P=wT（w：角速度，T：轉矩(ju)）。因為P不變，w增加了，所以轉矩(ju)會(hui)相應(ying)減小。

我(wo)們還可以再換一(yi)個角度(du)來看(kan):

電機的定子電壓U=E+I*R（I為(wei)電流，R為(wei)電子電阻，E為(wei)感應電勢(shi)）

可以(yi)看出，U、I不變時，E也不變。

而(er)E=k*f*X，（k：常數，f：頻率(lv)，X：磁(ci)通(tong)），所以(yi)當(dang)f由(you)50-->60Hz時，X會相應減小。

對于(yu)電機來(lai)說，T=K*I*X，(K：常數，I：電流，X：磁通），因此轉矩T會跟著(zhu)磁通X減(jian)小而(er)減(jian)小。

同時(shi)，小于50Hz時(shi)，由(you)于I*R很小，所(suo)以U/f=E/f不(bu)變時(shi)，磁通(X)為(wei)常數。轉矩T和電流成正(zheng)比。這也就是為(wei)什么通常用變頻器(qi)的過(guo)流能力來描述(shu)其過(guo)載(轉矩)能力。并稱為(wei)恒轉矩調速(額定電流不(bu)變-->最大(da)轉矩不(bu)變)。

結論：當變(bian)頻(pin)器輸出頻(pin)率從50Hz以上增加(jia)時，電機的輸出轉矩會減(jian)小。

3、其他和輸出轉矩有關的因素

發熱和散熱能力(li)決定(ding)變頻器的輸(shu)出電流(liu)能力(li)，從(cong)而影響(xiang)變頻器的輸(shu)出轉矩能力(li)。

載波頻率(lv)：一般變頻器(qi)所標的(de)(de)額定電流(liu)都(dou)是以最高(gao)載波頻率(lv)，最高(gao)環(huan)境溫度下能(neng)保證持續輸出的(de)(de)數值。降低載波頻率(lv)，電機(ji)的(de)(de)電流(liu)不會受到影響。但元器(qi)件的(de)(de)發熱(re)會減(jian)小。

環境(jing)溫(wen)度(du)(du)：就(jiu)象不會因為檢測到周圍溫(wen)度(du)(du)比較低時就(jiu)增(zeng)大變(bian)頻(pin)器保護電(dian)流值.

海拔高度：海拔高度增加，對散熱和絕緣性能(neng)都有影(ying)響(xiang)。一般1000m以(yi)下可(ke)以(yi)不考(kao)慮。以(yi)上每1000米降容5%就可(ke)以(yi)了。

4、矢量控制是怎樣改善電機的輸出轉矩能力的？

*1:轉矩提升

此功能增加變頻器的輸(shu)出電(dian)(dian)壓（主要(yao)是低頻時），以補償定子電(dian)(dian)阻上電(dian)(dian)壓降引起的輸(shu)出轉(zhuan)矩(ju)損(sun)失，從(cong)而改善電(dian)(dian)機的輸(shu)出轉(zhuan)矩(ju)。

改善電機(ji)低(di)速輸出轉矩不足的技(ji)術

使用矢量控制(zhi)，可以(yi)使電(dian)機在低速(su),如(無(wu)速(su)度傳感(gan)器時)1Hz（對4極電(dian)機，其轉速(su)大約為30r/min）時的輸出轉矩(ju)(ju)可以(yi)達(da)到電(dian)機在50Hz供電(dian)輸出的轉矩(ju)(ju)（最大約為額定轉矩(ju)(ju)的150％）。

對(dui)于常規的V/F控制，電(dian)(dian)機的電(dian)(dian)壓降隨(sui)著(zhu)電(dian)(dian)機速(su)度的降低(di)(di)而相對(dui)增加，這(zhe)就(jiu)導致由于勵磁不(bu)足，而使電(dian)(dian)機不(bu)能(neng)獲得足夠(gou)的旋轉(zhuan)力。為了補償(chang)這(zhe)個不(bu)足，變頻器中需要通過提高電(dian)(dian)壓，來補償(chang)電(dian)(dian)機速(su)度降低(di)(di)而引(yin)起的電(dian)(dian)壓降。變頻器的這(zhe)個功能(neng)叫(jiao)做轉(zhuan)矩提升(sheng)（*1）。

轉矩提升功能是提高變頻器的輸出電(dian)壓。然而即使(shi)提高(gao)(gao)很多輸出電(dian)壓，電(dian)機轉矩并(bing)不能和其電(dian)流相(xiang)對應的提高(gao)(gao)。因為電(dian)機電(dian)流包含電(dian)機產生的轉矩分(fen)量(liang)(liang)和其它分(fen)量(liang)(liang)（如勵磁分(fen)量(liang)(liang)）。

矢量(liang)控制把電(dian)機的(de)電(dian)流(liu)(liu)值(zhi)進行分(fen)(fen)配(pei)，從而確定產(chan)生(sheng)轉矩(ju)的(de)電(dian)機電(dian)流(liu)(liu)分(fen)(fen)量(liang)和其(qi)它電(dian)流(liu)(liu)分(fen)(fen)量(liang)（如勵磁分(fen)(fen)量(liang)）的(de)數(shu)值(zhi)。

矢(shi)量控制可以通過對電(dian)機(ji)端(duan)的(de)(de)電(dian)壓降的(de)(de)響(xiang)應(ying)，進(jin)行優(you)化補償，在不增加電(dian)流的(de)(de)情(qing)況下，允(yun)許電(dian)機(ji)產出大的(de)(de)轉矩。此功能對改善電(dian)機(ji)低速時溫升也有效。