1、1、变频电机工作原理概述 各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz ）或 100V/60Hz（50Hz ） ，等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。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） 。把直流电（ DC）变换为交流电（AC ）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器) 。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器，变频器也可用于家电产品。用于电机控制的变频器，既可
2、以改变电压，又可以改变频率。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。 2. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ 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：4 极电机 60Hz 1,800 r/min，4 极电机 50Hz 1,500 r/min，电机的旋转速度同频率成比例。 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） ，所以不适和改变该
3、值来调整电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值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，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从 60Hz 改变到 30Hz，这时变频器的输出电压就必须从 200V 改变到约 100V。 例如：为了使
4、电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从 60Hz 改变到 30Hz，这时变频器的输出电压就必须从 200V 改变到约 100V。 如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高 10 度，变频器使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。 通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算: 发热量的近似值 变频器容量（KW）55 W在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的(过流能力 1
5、50% 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算: 变频器容量（ KW）60 W因为各变频器厂家的硬件都差不多 , 所以上式可以针对各品牌的产品.那么, 怎样采能降低控制柜内的发热量呢? 当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器
6、有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的! 关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。 二、关于其他的问题 1.开关频率：变频器的发热主要来自于 IGBT，IGBT 的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容，就是这个道理。 2.矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的？ 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，
7、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。 三、变频器制动的情况制动的概念:指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速. 负载的能量分为动能和势能. 动能( 由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物
8、体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能) 也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动.这种操作方法被称作“再生制动“，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法“。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元“选件。 四、怎样提高制动能力？ 为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解
9、决问题。请选用“制动电阻“、“制动单元“ 或“功率再生变换器“ 等选件来改善变频器的制动容量。 当电机的旋转速度改变时，其输出转矩会怎样？ 我们经常听到下面的说法：“电机在工频电源供电时（ *2）时，电机的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“。如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流 (*3) ） 。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，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减些 减小的实际数据在有的变
10、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。当变频器调速到大于 60Hz 频率时，电机的输出转矩将降低。通常的电机是按 50Hz(60Hz)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 60Hz 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
11、在额定频率之上的调速称为恒功率调速 .(P=Ue*Ie) 参考：*1: 转矩提升: 此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，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
12、起的电压降。变频器的这个功能叫做“转矩提升“ （*1） 。*2: 工频电源由电网提供的动力电源（商用电源）*3: 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。进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式： 1 变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n60 f(1s)/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
13、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 050Hz 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 变频器控制方式低压通用变频输出电压为 380650V，输出功率为 0.75400kW ，工作频率为0 400Hz，它的主电路都采用交 直交电路。其控制方式经历了以下四代。2.1U/f=C 的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其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
14、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。2.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼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，以内切多边形逼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
15、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。2.3 矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速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，
16、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。2.4 直接转矩控制（DTC ）方式1985 年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授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
17、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。2.5 矩阵式交 交控制方式VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频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
18、，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 BandBand 控制按磁链和转矩的 BandBand 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 150200转矩。
