变频器的工作原理，变频器是靠什么改变频率的……

变频器的工作原理~

变频器工作原理：由于交流电机不能用改变电压来实现调速。交流电机必须用改变频率来实现调速。变频器是可调频率的设备，用可调频率来改变交流电机的速度。 变频器（1）将工频交流电源通过整流器变成直流电源。（2）把整流电源通过虑波装置变成平滑的直流电源（3）制动电路，变频器带动的电机或其他感性负载在停机的时候，一般都是采用能耗制动的方式来实现的，就是把停止后电机的动能和线圈里面的磁能都通过一个别的耗能元件消耗掉,从而实现快速停车。（4）逆变电路，逆变电路将直流电源变成可控的脉冲电源。 这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。

变频器的频率调节电阻是用来把变频器的10V基准电压进行比例分压，然后送回变频器的主控板。变频器主控板再把电阻送回来的电压进行模数转换读取数据，然后再换算成额定频率的比例值输
出当前频率，因此调整电阻值即可以调整变频器的频率。

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, 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。

变频器基础原理
控制方式
1: VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。
2: CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频。
VVC的控制原理
在VVC中，控制电路用一个数学模型来计算电机负载变化时最佳的电机励磁，并对负载加以补偿。
此外集成于ASIC电路上的同步60°PWM方法决定了逆变器半导体器件(IGBTS)的最佳开关时间。
决定开关时间要遵循以下原则:
数值上最大的一相在1/6个周期(60°)内保持它的正电位或负电位不变。
其它两相按比例变化，使输出线电压保持正弦并达到所需的幅值(如下图)
与正弦控制PWM不同，VVC是依据所需输出电压的数字量来工作的。这能保证变频器的输出达到电压的额定值，电机电流为正弦波，电机的运行与电机直接接市电时一样。
由于在变频器计算最佳的输出电压时考虑了电机的常数(定子电阻和电感)，所以可得到最佳的电机励磁。
因为变频器连续的检测负载电流，变频器就能调节输出电压与负载相匹配，所以电机电压可适应电机的类型，跟随负载的变化。
VVC+的控制原理是将矢量调制的原理应用于固定电压源PWM逆变器。这一控制建立在一个改善了的电机模型上，该电机模型较好的对负载和转差进行了补偿。
因为有功和无功电流成分对于控制系统来说都是很重要的，控制电压矢量的角度可显著的改善0-12HZ范围内的动态性能，而在标准的PWM U/F驱动中0-10HZ范围一般都存在着问题。
利用SFAVM或60°AVM原理来计算逆变器的开关模式，可使气隙转矩的脉动很小(与使用同步PWM的变频器相比)。
用户可以选择自己最喜爱的工作原理，或者由逆变器依据散热器的温度来自动选择控制原理。如果温度低于75°C采用SFAVM原理来控制，当温度高于75℃时就应用60°AVM原理。
各组成部分原理
自六十年代后期以来，由于微处理器和半导体技术的发展及其价格的降低，使变频器发生了很大的变化。但是，变频器的基本原理并没有变。
变频器可以分为四个主要部分:

1、整流器。它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。整流器有两种基本类型---可控和不可控的。
2、中间电路。它有以下三种类型:
a) 将整流电压变换成直流电流。
b) 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。
c) 将整流后固定的直流电压变换成可变的直流电压。
3、逆变器。它产生电动机电压的频率。另外，一些逆变器还可以将固定的直流电压变换成可变的交流电压。
4、控制电路。它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这部分的信号。具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。如下图:

上图示出变频器不同的设计及控制原理。图中:
1- 可控整流器，
2- 不可控整流器，
3- 可变直流电流的中间电路，
4- 固定直流电压的中间电路，
5- 可变直流电压的中间电路，
6- 脉冲幅度调试逆变器，
7- 脉冲宽度调制逆变器。
电流逆变器:CSI(1+3+6)
脉冲幅度调制逆变器:PAM(1+4+7)，(2+5+7)
脉冲宽度调制逆变器:PAM/VVC(2+4+7)
为了全面，还应该简要的提一下没有中间电路的直接变频器。这种变频器用于功率等级不兆瓦级的地方，它们直接将50Hz电源变换为一个低频电源，其最大输出频率为30Hz。
整流器
变频器中的整流器可由二极管或晶闸管单独构成，也可由两者共同构成。由二极管构成的是不可控整流器，有晶闸管构成的是可控整流器。二极管和晶闸管都用的整流器是半控整流器。
中间电路
中间电路可看做是一个能量的存储装置，电动机可以通过逆变器从中间电路获得能量。和逆变器不同，中间电路可根据三种不同的原理构成。
在使用电源逆变器时，中间电路由一个大的电感线圈构成，它只能与可控整流器配合使用。电感线圈将整流器输出的可变电流电压转换成可变的直流电流。电机电压的大小取决于负载的大小。
中间电路的滤波器使斩波器输出的方波电压变得平滑。滤波器的电容和电感使输出电压在给定频率下维持一定。
中间电路还能提供如下一些附加功能，这取决于中间电路的设计。例如:
使整流器和逆变器解耦
减少谐波
储存能量以承受断续的负载波动
逆变器
逆变器是变频器最后一个环节，其后与电动机相联。它最终产生适当的输出电压。
变频器通过使输出电压适应负载的办法，保证在整个控制范围内提供良好的运行条件。这方法是将电机的励磁维持在最佳值。
逆变器可以从中间电路得到以下三者之一。
可变直流电流
可变直流电压
固定直流电压
在以上每种情况下，逆变器都要确保给电机提供可变的量。换句话说，电动机电压的频率总是由逆变器产生的。如果中间电路提供的电流或电压是可变的，逆变器只需调节频率即可。如果中间电路只提供固定的电压，则逆变器既要调节电动机的频率，还要调节电动机的电压。
晶闸管在很大程度上被频率更好的晶体管所取代，因为晶体管可以跟快速地导通和关断。开关频率取决于所用的半导体器件，典型的开关频率在300Hz到20KHz之间。
逆变器中的半导体器件，由控制电路产生的信号使其导通和关断。这些信号可以受到不同的控制。
为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)，这个过程叫整流。变频器是靠整流器改变频率。

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