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变频器工作/应用原理35条

作者:海正科技 | 2018-1-16

变频器工作/应用原理

  变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、再次整流(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 

  1. 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:2极电机 50Hz 3000 [r/min]

  4极电机 50Hz 1500 [r/min]

  结论:电机的旋转速度同频率成比例

   本文中所指的电机为感应式交流电机,在工业中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)的旋转速度近似地确决于电机的极数和 频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该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),所以一般不适和通过改变该值 来调整电机的速度。

  另外,频率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。

  n = 60f/p

  n: 同步速度

  f: 电源频率

  p: 电机极对数

   结论:改变频率和电压是最优的电机控制方法

  如果仅改变频率而不改变电压,频率降低时会使电机出于过电压(过励磁),导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时,电压却不可以继续增加,最高只能是等于电机的额定电压。

  例如:为了使电机的旋转速度减半,把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz,这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

  2. 当电机的旋转速度(频率)改变时,其输出转矩会怎样?

  *1: 工频电源

  由电网提供的动力电源(商用电源)

  *2: 起动电流

  当电机开始运转时,变频器的输出电流

  变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动

  电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大,而当使用变频器供电时,这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时,变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的,所以电机起动电流和冲击要小些。

  通常,电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。

  通过使用磁通矢量控制的变频器,将改善电机低速时转矩的不足,甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

  3. 当变频器调速到大于50Hz频率时,电机的输出转矩将降低

  通常的电机是按50Hz电压设计制造的,其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te P=Pe)

  变频器输出频率大于50Hz频率时,电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

  当电机以大于50Hz频率速度运行时,电机负载的大小必须要给予考虑,以防止电机输出转矩的不足。

  举例,电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

  因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)

  4. 变频器50Hz以上的应用情况

  大家知道 对一个特定的电机来说 其额定电压和额定电流是不变的。

  如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A 电机可以工作在50Hz以上。

  当转速为50Hz时 变频器的输出电压为380V 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.

  这时的转矩情况怎样呢?

  因为P=wT (w:角速度 T:转矩). 因为P不变 w增加了 所以转矩会相应减小。

  我们还可以再换一个角度来看:

  电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流 R为电子电阻 E为感应电势)

  可以看出 UI不变时 E也不变.

  而E = k*f*X (k:常数 f: 频率 X:磁通) 所以当f由50--60Hz时 X会相应减小

  对于电机来说 T=K*I*X (K:常数 I:电流 X:磁通) 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.

  同时 小于50Hz时 由于I*R很小 所以U/f=E/f不变时 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变--最大转矩不变)

  结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时 电机的输出转矩会减小.

  5. 其他和输出转矩有关的因素

  发热和散热能力决定变频器的输出电流能力,从而影响变频器的输出转矩能力。

  载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。

  环境温度:就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.

  海拔高度: 海拔高度增加 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.

  6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的?

  *1: 转矩提升

  此功能增加变频器的输出电压(主要是低频时),以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失,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。

  1、什么是变频器?

  变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

  2、PWM和PAM的不同点是什么?

  PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写,按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度,以调节输出量和波形的一种调值方式。

   PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写,是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度,以调节输出量值和波形的一种调制方式。

  3、电压型与电流型有什么不同?

  变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波石电感。

  4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变?

  异 步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那么磁通就过大,磁回路饱和,严重时将烧毁 电机。因此,频率与电压要成比例地改变,即改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于 风机、泵类节能型变频器。

  5、电动机使用工频电源驱动时,电压下降则电流增加;对于变频器驱动,如果频率下降时电压也下降,那么电流是否增加?

  频率下降(低速)时如果输出相同的功率则电流增加但在转矩一定的条件下电流几乎不变。

  6、采用变频器运转时,电机的起动电流、起动转矩怎样?

  采 用变频器运转,随着电机的加速相应提高频率和电压,起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同,为125%~200%)。用工频电源直接起动 时,起动电流为6~7倍,因此,将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍,起动转 矩为70%~120%额定转矩;对于带有转矩自动增强功能的变频器,起动转矩为100%以上,可以带全负载起动。

  7、V/f模式是什么意思?

  频率下降时电压V也成比例下降,这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性,可以用开关或标度盘进行选择

  8、按比例地改V和f时,电机的转矩如何变化?

  频 率下降时完全成比例地降低电压,那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此,在低频时给定V/f要使输出电压提高 一些以便获得一定地起动转矩这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法

  9、在说明书上写着变速范围60~6Hz,即10:1,那么在6Hz以下就没有输出功率吗?

  在6Hz以下仍可输出功率,但根据电机温升和起动转矩的大小等条件,最低使用频率取6Hz左右,此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.5~3Hz.

  10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定,是否可以?

  通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变,大体为恒功率特性,在 高速下要求相同转矩时,必须注意电机与变频器容量的选择。

  11、所谓开环是什么意思?

  给所使用的电机装置设速度检出器(PG),将实际转速反馈给控制装置进行控制的,称为“闭环 ”,不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式,也有的机种利用选件可进行PG反馈.

  12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办?

  开环时,变频器即使输出给定频率,电机在带负载运行时,电机的转速在额定转差率的范围内(1%~5%)变动。对于要求调速精度比较高,即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合,可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)。

  13、如果用带有PG的电机,进行反馈后速度精度能提高吗?

  具有PG反馈功能的变频器,精度有提高。但速度精度的植取决于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。

  14、失速防止功能是什么意思?

  如 果给定的加速时间过短,变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化,变频器将因流过过电流而跳闸,运转停止,这就叫作失速。为了防止失速使电机 继续运转,就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。

  15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种,和加减速时间共同给定的机种,这有什么意义?

  加减速可以分别给定的机种,对于短时间加速、缓慢减速场合,或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的,但对于风机传动等场合,加减速时间都较长,加速时间和减速时间可以共同给定。

  16、什么是再生制动?

  电动机在运转中如果降低指令频率,则电动机变为异步发电机状态运行,作为制动器而工作,这就叫作再生(电气)制动。

  17、是否能得到更大的制动力?

  从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中,由于电容器的容量和耐压的关系,通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件制动单元,可以达到50%~100%。

  18、请说明变频器的保护功能?

  保护功能可分为以下两类:

  (1) 检知异常状态后自动地进行修正动作,如过电流失速防止,再生过电压失速防止。

  (2) 检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号,使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

  19、为什么用离合器连续负载时,变频器的保护功能就动作?

  用离合器连接负载时,在连接的瞬间,电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化,流过的大电流导致变频器过电流跳闸,不能运转。

  20、在同一工厂内大型电机一起动,运转中变频器就停止,这是为什么?

  电机起动时将流过和容量相对应的起动电流,电机定子侧的变压器产生电压降,电机容量大时此压降影响也大,连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断,因而有时保护功能(IPE)动作,造成停止运转。

  21、什么是变频分辨率?有什么意义?

  对于数字控制的变频器,即使频率指令为模拟信号,输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。

  变 频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如,分辨率为0.5Hz,那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz,因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下,如果分辨率为0.015Hz左右,对于4级电机1个级差为 1r/min 以下,也可充分适应。另外,有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。

  22、装设变频器时安装方向是否有限制。

  变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的,上下的关系对通风也是重要的,因此,对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位,尽可能垂直安装。

  23、不采用软起动,将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以?

  在很低的频率下是可以的,但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流(6~7倍额定电流),由于变频器切断过电流,电机不能起动。

  24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题?

  超过60Hz运转时应注意以下事项

  (1)机械和装置在该速下运转要充分可能(机械强度、噪声、振动等)。

  (2) 电机进入恒功率输出范围,其输出转矩要能够维持工作(风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加,所以转速少许升高时也要注意)。

  (3) 产生轴承的寿命问题,要充分加以考虑。

  (4) 对于中容量以上的电机特别是2极电机,在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。

  25、变频器可以传动齿轮电机吗?

  根据减速机的结构和润滑方式不同,需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限,采用油润滑时,在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。

  26、变频器能用来驱动单相电机吗?可以使用单相电源吗?

  机基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机,在工作点以下的调速范围时将烧毁

  辅助绕组;对于电容起动或电容运转方式的,将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相,但对于小容量的,也有用单相电源运转的机种。

  27、变频器本身消耗的功率有多少?

  它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关,但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%,据此可推算损耗,但内藏再生制动式(FR-K)变频器,如果把制动时的损耗也考虑进去,功率消耗将变大,对于操作盘设计等必须注意。

  28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用?

  一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却,若速度降低则冷却效果下降,因而不能承受与高速运转相同的发热,必须降低在低速下的负载转矩,或采用容量大的变频器与电机组合,或采用专用电机。

  29、使用带制动器的电机时应注意什么?

  制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作,将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。

  30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机,电机却不动,清说明原因

  变频器的电流流入改善功率因数用的电容器,由于其充电电流造成变频器过电流(OCT)所以不能起动,作为对策,请将电容器拆除后运转,甚至改善功率因数,在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。

  31、变频器的寿命有多久?

  变频器虽为静止装置,但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件,如果对它们进行定期的维护,可望有10年以上的寿命。

  32、变频器内藏有冷却风扇,风的方向如何?风扇若是坏了会怎样?

  对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种,风的方向是从下向上,所以装设变频器的地方,上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有,变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时,由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护

  33、滤波电容器为消耗品,那么怎样判断它的寿命?

  作为滤波电容器使用的电容器,其静电容量随着时间的推移而缓缓减少,定期地测量静电容量,以达到产品额定容量的85%时为基准来判断寿命。

  34、装设变频器时安装方向是否有限制。

  应基本收藏在盘内,问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大,占用空间大,成本比较高。其措施有:

  (1)盘的设计要针对实际装置所需要的散热;

  (2)利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积;

  (3) 采用热导管。

  此外,已开发出变频器背面可以外露的型式。

  35、想提高原有输送带的速度,以80Hz运转,变频器的容量该怎样选择?

  设基准速度为50Hz50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时,容量 需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大。

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