變(bian)頻器控(kong)制(zhi)電機轉速原(yuan)理

變頻器主要(yao)由整(zheng)流（交(jiao)流變直流）、濾波、再次整(zheng)流（直流變交(jiao)流）、制動單(dan)元、驅動單(dan)元、檢測單(dan)元微處理(li)單(dan)元等組(zu)成(cheng)的。

本文中所(suo)指的(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)為(wei)(wei)感應式(shi)交(jiao)(jiao)流(liu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)，在(zai)工業中所(suo)使(shi)用(yong)的(de)大部分電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)均為(wei)(wei)此(ci)類型電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)。感應式(shi)交(jiao)(jiao)流(liu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)（以(yi)后簡稱為(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)）的(de)旋轉速度近似地確(que)決于(yu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)極(ji)(ji)數(shu)和頻率。由電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)工作原理決定電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)極(ji)(ji)數(shu)是(shi)固定不變的(de)。由于(yu)該極(ji)(ji)數(shu)值(zhi)不是(shi)一(yi)個連續(xu)的(de)數(shu)值(zhi)（為(wei)(wei)2的(de)倍(bei)數(shu)，例如極(ji)(ji)數(shu)為(wei)(wei)2，4，6），所(suo)以(yi)一(yi)般不適(shi)和通(tong)過改(gai)變該值(zhi)來(lai)調整電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)速度。

另(ling)外，頻率能(neng)夠在電機(ji)的(de)外面調(diao)節后再供(gong)給電機(ji)，這(zhe)樣電機(ji)的(de)旋轉速(su)度(du)就可以(yi)被自由的(de)控(kong)制。

因此，以(yi)控制頻(pin)率為目的的變頻(pin)器，是作為電機調速設備(bei)的優選設備(bei)。

結論：改變頻率和(he)電壓是最優(you)的電機(ji)控(kong)制方法。

如(ru)果僅改變(bian)頻率(lv)而不改變(bian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，頻率(lv)降(jiang)低時(shi)會使電(dian)(dian)(dian)機(ji)出(chu)于(yu)過電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)（過勵磁），導致電(dian)(dian)(dian)機(ji)可能被燒壞。因此變(bian)頻器在改變(bian)頻率(lv)的(de)同時(shi)必(bi)須要同時(shi)改變(bian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。輸出(chu)頻率(lv)在額(e)定頻率(lv)以(yi)上時(shi)，電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)卻不可以(yi)繼續增加，最高只能是(shi)等于(yu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)額(e)定電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。

工(gong)頻電源(yuan)：由電網提供的動力(li)電源(yuan)（商用電源(yuan)）。

起(qi)動電流：當電機開始運轉時，變(bian)頻器的輸出電流。

變頻(pin)器驅動時的(de)起(qi)動轉矩和最大(da)轉矩要小于直接(jie)用工(gong)頻(pin)電源驅動。

電機在工(gong)頻(pin)電源供(gong)電時(shi)起動(dong)和加速沖(chong)(chong)擊很大(da)，而當使用變(bian)(bian)頻(pin)器供(gong)電時(shi)，這(zhe)些沖(chong)(chong)擊就要弱(ruo)一些。工(gong)頻(pin)直接起動(dong)會產生一個(ge)大(da)的起動(dong)起動(dong)電流(liu)。而當使用變(bian)(bian)頻(pin)器時(shi)，變(bian)(bian)頻(pin)器的輸出(chu)電壓和頻(pin)率是逐漸加到電機上(shang)的，所以電機起動(dong)電流(liu)和沖(chong)(chong)擊要小(xiao)些。

通常，電機(ji)產生的轉矩要隨頻率的減(jian)小(xiao)（速度降低(di)）而減(jian)小(xiao)。減(jian)小(xiao)的實際數據在(zai)有的變(bian)頻器手(shou)冊中會給出(chu)說明。

通過使用磁(ci)通矢量控制(zhi)的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuan)矩的不(bu)足，甚至在低速區電機也可輸出足夠的轉(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(tong)常的(de)電(dian)機是(shi)按50Hz電(dian)壓設計制造的(de)，其額定轉(zhuan)矩也是(shi)在這個(ge)電(dian)壓范(fan)圍內給出(chu)的(de)。因此在額定頻(pin)率之下的(de)調(diao)速(su)稱為恒轉(zhuan)矩調(diao)速(su).(T=Te,P<=Pe)

變頻器輸出頻率(lv)大于(yu)50Hz頻率(lv)時(shi)，電機產(chan)生的(de)轉(zhuan)矩要以和頻率(lv)成(cheng)反比的(de)線性關(guan)系下降。

當電機(ji)以(yi)大(da)于50Hz頻率速度運行時，電機(ji)負載的(de)大(da)小(xiao)必須要(yao)給予考慮，以(yi)防(fang)止電機(ji)輸出(chu)轉(zhuan)矩的(de)不(bu)足(zu)。

舉例，電機(ji)在100Hz時產(chan)生的(de)轉矩大約(yue)要降低到50Hz時產(chan)生轉矩的(de)1/2。

因此在(zai)額定頻率之上的調(diao)速稱為恒功(gong)率調(diao)速(P=Ue*Ie)。

2、變頻器50Hz以上的應用情況

大家知道，對一個(ge)特定的電機(ji)來說，其(qi)額定電壓和額定電流是不變的。

如變頻器和電機(ji)額定值都是：15kW/380V/30A，電機(ji)可以工(gong)作在50Hz以上。

當(dang)轉速為50Hz時(shi)，變頻(pin)器的輸(shu)出電(dian)壓為380V，電(dian)流(liu)為30A。這時(shi)如果增大(da)輸(shu)出頻(pin)率(lv)到(dao)60Hz，變頻(pin)器的最大(da)輸(shu)出電(dian)壓電(dian)流(liu)還只(zhi)能為380V/30A。很顯然輸(shu)出功(gong)率(lv)不(bu)變，所以我們稱(cheng)之為恒功(gong)率(lv)調(diao)速。

這時的轉矩(ju)情(qing)況怎樣呢(ni)？

因為(wei)P=wT（w：角(jiao)速度，T：轉矩(ju)）。因為(wei)P不變，w增(zeng)加了，所以轉矩(ju)會(hui)相應減小(xiao)。

我們還可以再換(huan)一(yi)個角度來看:

電機的定子(zi)電壓U=E+I*R（I為(wei)(wei)電流，R為(wei)(wei)電子(zi)電阻，E為(wei)(wei)感應電勢）

可以看出，U、I不(bu)變時(shi)，E也(ye)不(bu)變。

而(er)E=k*f*X，（k：常數，f：頻率，X：磁通），所(suo)以當f由50-->60Hz時，X會相應減小。

對于電(dian)機來說，T=K*I*X，(K：常數，I：電(dian)流(liu)，X：磁通），因此轉(zhuan)矩T會跟(gen)著磁通X減小而減小。

同時(shi)，小于(yu)50Hz時(shi)，由(you)于(yu)I*R很小，所以(yi)U/f=E/f不變(bian)(bian)時(shi)，磁通(X)為(wei)常數。轉(zhuan)矩(ju)(ju)T和電(dian)流(liu)成正(zheng)比。這(zhe)也就是(shi)為(wei)什么通常用(yong)變(bian)(bian)頻器的過流(liu)能力(li)(li)來描述其(qi)過載(轉(zhuan)矩(ju)(ju))能力(li)(li)。并稱為(wei)恒轉(zhuan)矩(ju)(ju)調速(su)(額定電(dian)流(liu)不變(bian)(bian)-->最(zui)大轉(zhuan)矩(ju)(ju)不變(bian)(bian))。

結論：當變頻(pin)器輸出(chu)頻(pin)率從50Hz以上增加時，電機的(de)輸出(chu)轉矩會減(jian)小。

3、其他和輸出轉矩有關的因素

發熱和散(san)熱能(neng)力決定變頻(pin)器的輸出(chu)電(dian)流能(neng)力，從而影響變頻(pin)器的輸出(chu)轉矩(ju)能(neng)力。

載波頻(pin)(pin)率：一般變頻(pin)(pin)器所標的額定電流(liu)都是以最高(gao)載波頻(pin)(pin)率，最高(gao)環境溫度(du)下能(neng)保證持續輸出的數值。降低載波頻(pin)(pin)率，電機的電流(liu)不會(hui)受到影(ying)響。但元器件的發熱會(hui)減小(xiao)。

環境溫度：就象不(bu)會因(yin)為檢測到周圍(wei)溫度比較低時就增大(da)變頻器保護(hu)電(dian)流值.

海(hai)拔高度：海(hai)拔高度增加，對散熱和絕緣性能都有影響(xiang)。一般1000m以下可(ke)以不(bu)考慮。以上(shang)每1000米降容5%就可(ke)以了。

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(ci)功能增加變(bian)頻器的(de)輸(shu)出電(dian)壓（主要(yao)是低頻時），以補(bu)償定(ding)子(zi)電(dian)阻上電(dian)壓降(jiang)引(yin)起的(de)輸(shu)出轉矩損失，從而改善電(dian)機(ji)的(de)輸(shu)出轉矩。

改善電機低速輸出轉矩(ju)不足的(de)技術

使用矢量控制(zhi)，可以(yi)使電機(ji)在低(di)速,如(無速度傳感器時)1Hz（對4極電機(ji)，其(qi)轉速大約為(wei)30r/min）時的(de)輸(shu)出轉矩(ju)可以(yi)達到電機(ji)在50Hz供電輸(shu)出的(de)轉矩(ju)（最大約為(wei)額定(ding)轉矩(ju)的(de)150％）。

對于常規的V/F控(kong)制，電(dian)機(ji)的電(dian)壓降隨著電(dian)機(ji)速度的降低而相對增加，這就(jiu)導致由(you)于勵磁不(bu)足，而使電(dian)機(ji)不(bu)能(neng)獲得足夠的旋(xuan)轉力。為了(le)補償這個(ge)不(bu)足，變頻器中需(xu)要(yao)通過提高(gao)電(dian)壓，來(lai)補償電(dian)機(ji)速度降低而引(yin)起的電(dian)壓降。變頻器的這個(ge)功能(neng)叫做(zuo)轉矩提升（*1）。

轉矩提升功能是提高變頻器的輸出(chu)電(dian)壓。然(ran)而即使提高(gao)很多(duo)輸出(chu)電(dian)壓，電(dian)機(ji)轉矩并不能和(he)其(qi)(qi)電(dian)流相(xiang)對應的提高(gao)。因為電(dian)機(ji)電(dian)流包含(han)電(dian)機(ji)產生的轉矩分量和(he)其(qi)(qi)它分量（如勵磁分量）。

矢量(liang)控制把電(dian)機的(de)電(dian)流值進行分(fen)配，從而確定產生轉(zhuan)矩的(de)電(dian)機電(dian)流分(fen)量(liang)和其(qi)它電(dian)流分(fen)量(liang)（如勵磁分(fen)量(liang)）的(de)數值。

矢量控制(zhi)可以通過(guo)對(dui)電(dian)機端(duan)的(de)電(dian)壓降(jiang)的(de)響應，進行(xing)優(you)化補償，在不增(zeng)加電(dian)流(liu)的(de)情況(kuang)下，允許電(dian)機產出大的(de)轉矩(ju)。此功(gong)能(neng)對(dui)改善(shan)電(dian)機低(di)速(su)時溫升也有效。