變頻器控制電機(ji)轉(zhuan)速原理

變頻器主要由(you)整(zheng)流(liu)(liu)(liu)（交(jiao)流(liu)(liu)(liu)變(bian)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)）、濾波、再次整(zheng)流(liu)(liu)(liu)（直(zhi)流(liu)(liu)(liu)變(bian)交(jiao)流(liu)(liu)(liu)）、制動單元、驅(qu)動單元、檢(jian)測單元微處理(li)單元等組成的。

本(ben)文中(zhong)所(suo)指的(de)(de)(de)(de)電機(ji)(ji)(ji)為(wei)(wei)感(gan)應(ying)式(shi)(shi)交(jiao)流(liu)(liu)電機(ji)(ji)(ji)，在工(gong)(gong)業中(zhong)所(suo)使用的(de)(de)(de)(de)大部分電機(ji)(ji)(ji)均為(wei)(wei)此類型電機(ji)(ji)(ji)。感(gan)應(ying)式(shi)(shi)交(jiao)流(liu)(liu)電機(ji)(ji)(ji)（以后簡稱為(wei)(wei)電機(ji)(ji)(ji)）的(de)(de)(de)(de)旋轉速度近似地確決(jue)于電機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)極(ji)數(shu)(shu)(shu)和頻(pin)率。由電機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)工(gong)(gong)作原理決(jue)定電機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)極(ji)數(shu)(shu)(shu)是固(gu)定不變的(de)(de)(de)(de)。由于該(gai)極(ji)數(shu)(shu)(shu)值不是一個連(lian)續的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)值（為(wei)(wei)2的(de)(de)(de)(de)倍(bei)數(shu)(shu)(shu)，例如(ru)極(ji)數(shu)(shu)(shu)為(wei)(wei)2，4，6），所(suo)以一般(ban)不適和通過改變該(gai)值來調(diao)整電機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)速度。

另(ling)外，頻(pin)率(lv)能夠(gou)在電機(ji)(ji)的(de)外面調節后再供給電機(ji)(ji)，這樣電機(ji)(ji)的(de)旋轉(zhuan)速(su)度就可以被自由的(de)控制。

因此，以控(kong)制頻(pin)率為(wei)目的的變頻(pin)器，是(shi)作為(wei)電機(ji)調速設備(bei)的優選設備(bei)。

結(jie)論：改變頻(pin)率和電壓是最(zui)優的電機控制方法。

如果僅改(gai)變頻(pin)率而(er)不改(gai)變電(dian)(dian)壓(ya)，頻(pin)率降低時會使電(dian)(dian)機出(chu)(chu)于過電(dian)(dian)壓(ya)（過勵磁(ci)），導致(zhi)電(dian)(dian)機可(ke)能(neng)被燒壞。因此變頻(pin)器在改(gai)變頻(pin)率的(de)同時必須要同時改(gai)變電(dian)(dian)壓(ya)。輸出(chu)(chu)頻(pin)率在額定頻(pin)率以(yi)上時，電(dian)(dian)壓(ya)卻不可(ke)以(yi)繼續增加，最高只(zhi)能(neng)是等于電(dian)(dian)機的(de)額定電(dian)(dian)壓(ya)。

工(gong)頻電(dian)源：由電(dian)網提供(gong)的動(dong)力電(dian)源（商用電(dian)源）。

起動電(dian)流(liu)：當電(dian)機(ji)開始運轉時，變頻器的輸出電(dian)流(liu)。

變頻器驅動時的起動轉矩和(he)最大(da)轉矩要小于直接用工頻電源驅動。

電機在工頻電源供電時(shi)(shi)起(qi)(qi)動(dong)和(he)加(jia)(jia)速沖擊很大，而當(dang)使用變頻器(qi)供電時(shi)(shi)，這些沖擊就(jiu)要弱(ruo)一些。工頻直接起(qi)(qi)動(dong)會產生(sheng)一個大的起(qi)(qi)動(dong)起(qi)(qi)動(dong)電流(liu)(liu)。而當(dang)使用變頻器(qi)時(shi)(shi)，變頻器(qi)的輸出電壓(ya)和(he)頻率是逐(zhu)漸加(jia)(jia)到電機上的，所以電機起(qi)(qi)動(dong)電流(liu)(liu)和(he)沖擊要小(xiao)些。

通(tong)常，電機產生的轉矩要隨頻率(lv)的減小（速度降低）而減小。減小的實際數(shu)據在有(you)的變頻器(qi)手冊中(zhong)會(hui)給(gei)出說(shuo)明。

通過使用磁通矢量控制的(de)變頻(pin)器，將改善電機低速(su)時轉(zhuan)(zhuan)矩的(de)不足(zu)，甚(shen)至在(zai)低速(su)區電機也可輸出(chu)足(zu)夠的(de)轉(zhuan)(zhuan)矩。

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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)電機是(shi)按50Hz電壓(ya)設計制造的(de)，其額定轉(zhuan)矩也是(shi)在這個電壓(ya)范圍內給出的(de)。因此在額定頻率之下的(de)調(diao)(diao)速稱為恒轉(zhuan)矩調(diao)(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(sheng)的(de)轉矩要以(yi)和頻(pin)率(lv)成反比的(de)線(xian)性(xing)關系下降。

當電(dian)(dian)機以大于(yu)50Hz頻率(lv)速度運行時，電(dian)(dian)機負載的(de)大小必須要(yao)給予(yu)考慮，以防止電(dian)(dian)機輸出轉(zhuan)矩的(de)不足。

舉例(li)，電機(ji)在100Hz時產生的(de)(de)轉(zhuan)矩(ju)大約要降(jiang)低到50Hz時產生轉(zhuan)矩(ju)的(de)(de)1/2。

因此(ci)在額定頻率之上的調速稱為恒功(gong)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(te)定(ding)的(de)電(dian)機來說，其額(e)定(ding)電(dian)壓和額(e)定(ding)電(dian)流是不變的(de)。

如變頻器和電(dian)機(ji)額定值都是(shi)：15kW/380V/30A，電(dian)機(ji)可以工作(zuo)在50Hz以上。

當轉速為(wei)(wei)50Hz時，變(bian)頻器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)為(wei)(wei)380V，電(dian)流為(wei)(wei)30A。這時如果增(zeng)大輸(shu)出(chu)(chu)(chu)頻率(lv)到(dao)60Hz，變(bian)頻器(qi)的(de)最大輸(shu)出(chu)(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)電(dian)流還只能為(wei)(wei)380V/30A。很顯然輸(shu)出(chu)(chu)(chu)功率(lv)不變(bian)，所以我們(men)稱之為(wei)(wei)恒功率(lv)調(diao)速。

這時的轉矩情(qing)況怎樣呢？

因(yin)為P=wT（w：角速度，T：轉(zhuan)矩）。因(yin)為P不變(bian)，w增加了，所(suo)以轉(zhuan)矩會(hui)相應(ying)減(jian)小。

我們還可以再換一個(ge)角度來看:

電(dian)(dian)機的定子(zi)電(dian)(dian)壓U=E+I*R（I為電(dian)(dian)流(liu)，R為電(dian)(dian)子(zi)電(dian)(dian)阻(zu)，E為感應電(dian)(dian)勢）

可以看(kan)出，U、I不(bu)變(bian)時(shi)，E也不(bu)變(bian)。

而E=k*f*X，（k：常(chang)數(shu)，f：頻率(lv)，X：磁通），所以當f由50-->60Hz時(shi)，X會(hui)相應減小。

對于電(dian)機來(lai)說，T=K*I*X，(K：常數(shu)，I：電(dian)流，X：磁通(tong)），因此轉矩T會跟著磁通(tong)X減(jian)小(xiao)而減(jian)小(xiao)。

同時，小于50Hz時，由于I*R很(hen)小，所以(yi)U/f=E/f不(bu)(bu)變(bian)時，磁通(tong)(X)為(wei)常數(shu)。轉矩(ju)T和電流(liu)成正比。這也就是為(wei)什么(me)通(tong)常用變(bian)頻(pin)器的過流(liu)能力(li)來描述其過載(轉矩(ju))能力(li)。并(bing)稱為(wei)恒轉矩(ju)調速(su)(額定電流(liu)不(bu)(bu)變(bian)-->最大轉矩(ju)不(bu)(bu)變(bian))。

結(jie)論：當變頻器輸出(chu)頻率(lv)從50Hz以上增加時，電機的輸出(chu)轉矩會(hui)減小(xiao)。

3、其他和輸出轉矩有關的因素

發熱(re)(re)和散熱(re)(re)能(neng)力(li)(li)決定變頻器的(de)輸出電流能(neng)力(li)(li)，從而影響(xiang)變頻器的(de)輸出轉矩能(neng)力(li)(li)。

載(zai)波(bo)頻(pin)(pin)率：一(yi)般(ban)變頻(pin)(pin)器(qi)所(suo)標(biao)的(de)(de)(de)額定(ding)電(dian)流都是以最(zui)高載(zai)波(bo)頻(pin)(pin)率，最(zui)高環境溫度下能(neng)保證(zheng)持續輸出(chu)的(de)(de)(de)數值(zhi)。降低載(zai)波(bo)頻(pin)(pin)率，電(dian)機的(de)(de)(de)電(dian)流不(bu)會受到影響(xiang)。但元器(qi)件的(de)(de)(de)發熱會減(jian)小(xiao)。

環境溫度(du)：就(jiu)象不會因為(wei)檢測到(dao)周圍(wei)溫度(du)比較(jiao)低時就(jiu)增大變頻器保護(hu)電(dian)流值.

海(hai)(hai)拔(ba)高度：海(hai)(hai)拔(ba)高度增加(jia)，對散熱和(he)絕緣(yuan)性能都有影響。一般1000m以(yi)下可以(yi)不考慮(lv)。以(yi)上每1000米降容5%就可以(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(gong)能增加(jia)變頻器(qi)的(de)輸(shu)出電壓（主要是(shi)低頻時），以補償(chang)定子(zi)電阻上電壓降引(yin)起的(de)輸(shu)出轉矩損失(shi)，從(cong)而(er)改善電機(ji)的(de)輸(shu)出轉矩。

改善電機低速(su)輸出轉(zhuan)矩(ju)不足的技(ji)術

使(shi)用矢量控制(zhi)，可以使(shi)電(dian)機(ji)在低(di)速(su),如(無速(su)度(du)傳(chuan)感器時)1Hz（對(dui)4極電(dian)機(ji)，其轉(zhuan)速(su)大約為(wei)30r/min）時的(de)(de)輸(shu)出轉(zhuan)矩(ju)可以達到電(dian)機(ji)在50Hz供電(dian)輸(shu)出的(de)(de)轉(zhuan)矩(ju)（最(zui)大約為(wei)額定轉(zhuan)矩(ju)的(de)(de)150％）。

對于(yu)常規(gui)的(de)V/F控(kong)制(zhi)，電機(ji)的(de)電壓降隨著(zhu)電機(ji)速度的(de)降低而相(xiang)對增加，這(zhe)就(jiu)導(dao)致由于(yu)勵磁不(bu)足(zu)，而使電機(ji)不(bu)能(neng)獲(huo)得足(zu)夠的(de)旋轉力。為了補償這(zhe)個不(bu)足(zu)，變(bian)頻器中需要通過提(ti)高電壓，來補償電機(ji)速度降低而引起的(de)電壓降。變(bian)頻器的(de)這(zhe)個功能(neng)叫做(zuo)轉矩提(ti)升（*1）。

轉矩提升功能是提高變頻器的(de)輸出電(dian)(dian)壓。然(ran)而(er)即使(shi)提(ti)高很多輸出電(dian)(dian)壓，電(dian)(dian)機轉矩并不(bu)能和(he)其電(dian)(dian)流相(xiang)對應(ying)的(de)提(ti)高。因(yin)為電(dian)(dian)機電(dian)(dian)流包含電(dian)(dian)機產生的(de)轉矩分(fen)量(liang)和(he)其它分(fen)量(liang)（如勵磁分(fen)量(liang)）。

矢量(liang)控(kong)制把電(dian)機的(de)(de)電(dian)流值(zhi)進行(xing)分(fen)(fen)配，從而(er)確(que)定產(chan)生轉(zhuan)矩的(de)(de)電(dian)機電(dian)流分(fen)(fen)量(liang)和其(qi)它電(dian)流分(fen)(fen)量(liang)（如勵磁分(fen)(fen)量(liang)）的(de)(de)數值(zhi)。

矢量控制可以通過對(dui)電(dian)機端的(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)情況下，允許電(dian)機產出大的(de)(de)轉矩。此(ci)功能對(dui)改善電(dian)機低速時溫(wen)升也有效。