变频器的知识,原理及操作方法。
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发布时间：2022-04-22 21:28
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时间：2022-05-05 08:52
变频器工作原理弄明白之前，不妨先看看变频器究竟为何方神圣？变频器就是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。而这其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电（及核心控制电路实现：交-直-交的过程）。而变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。而其工作原理用公式来表达的话便是：n＝60 f(1－s)/p (1) 式中 n———异步电动机的转速； f———异步电动机的频率； s———电动机转差率； p———电动机极对数。 由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2.变频器工作原理之三大组成部分：
变频器工作原理就是这样，但它到底怎么实现的呢？主要是由其三个组成部分完成的。（1）将工频电源变换为直流功率的“整流器”：它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。（3）将直流功率变换为交流功率的“逆变器”：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
3.变频器工作原理之基本分类：
变频器工作原理都一直，那世界上那么多变频器为毛不一样呢？如果你在这样呐喊的话，我只能说，抱歉是的，而且他们还可以这样分类（请自行脑补强迫症模式的开启过程）：按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
4.变频器工作原理之历史进展：
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展（注意，正因为如此，所以变频器的产生便是在这个背景下的）。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM－VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。至于想了解各类变频器工作原理的话，不妨由简至繁的看看变频器控制方式的四种演变。
5.变频器控制方式之U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)：
变频器的SPWM控制方式的特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
6.变频器控制方式之电压空间矢量(SVPWM)：
变频器的SVPWM控制方式是以三相波形整体生成效果为前提，以*近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形*近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
7.变频器控制方式之矢量控制(VC)方式：
变频器的VC控制方式的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
8.变频器控制方式之直接转矩控制(DTC)方式：
变频器的DTC控制方式源于1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授，他首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
9.变频器控制方式之矩阵式交—交方式：
变频器的矩阵式交-交方式省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(2ms)，很高的速度精度(±2％，无PG反馈)，高转矩精度(＋3％)；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时(包括0速度时)，可输出150％～200％转矩。
当然，看到这里并不是说变频器就可以完全弄明白了，更好地理解变频器工作原理还需要各位在理解上述知识的前提下去分解套用到现实中，再验证才能算是弄明白了变频器的工作原理（传说中的废话：实践出真知）。
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时间：2022-05-05 10:10
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]
$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
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, U,I 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。
变频器不是在任何情况下都能正常使用，因此用户有必要对负载、环境要求和变频器有更多了解。
1.负载类型和变频器的选择：
电动机所带动的负载不一样，对变频器的要求也不一样。
A:风机和水泵是最普通的负载：对变频器的要求最为简单，只要变频器容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量）。
B:起重机类负载：这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一定余量。同时，在重物下放肘，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式。
C:不均行负载：有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况来选择变频器容量，例如轧钢机机械、粉碎机械、搅拌机等。
D:大惯性负载：如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。应该用容量稍大的变频器来加快启动，避免振荡。配合制动单元消除回馈电能。
2.长期低速动转，由于电机发热量较高，风扇冷却能力降低，因此必须采用加大减速比的方式或改用6 级电机，使电机运转在较高频率附近。
3.变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障或缩短使用寿命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过50 米，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。
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时间：2022-05-05 11:44
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时间：2022-05-05 13:36
