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代理西門(mén)子變頻器，德國(guó)西門(mén)子變頻器工作原理

最近更新時(shí)間：2012-2-24

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代理西門(mén)子變頻器，德國(guó)西門(mén)子變頻器工作原理
1 西門(mén)子變頻器的工作原理
我們知道，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：
n ＝ 60 f（1 － s）/p （1）
式中 n——— 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；
f——— 異步電動(dòng)機(jī)的頻率；
s——— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；
p——— 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。
由式 （1） 可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0 ～ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。西門(mén)子變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的率、高性能的調(diào)速手段。
2 西門(mén)子變頻器控制方式
低壓通用變頻輸出電壓為 380 ～ 650V ，輸出功率為 0.75 ～ 400kW ，工作頻率為 0 ～ 400Hz ，它的主電路都采用交 — 直 — 交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。
2.1U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制（ SPWM ）控制方式
其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出zui大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。
2.2 電壓空間矢量（ SVPWM ）控制方式
它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到*。
2.3 矢量控制（ VC ）方式
矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流 Ia 、 Ib 、 Ic 、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1Ib1 ，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im1 、 It1 （ Im1 相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； It1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。 ：徐美玲 ：         
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代理西門(mén)子變頻器，德國(guó)西門(mén)子變頻器工作原理
西門(mén)子變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。
1. 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？
*1: r/min
電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm.
例如：2極電機(jī) 50Hz 3000 [r/min]
4極電機(jī) 50Hz 1500 [r/min]
結(jié)論：電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例
本文中所指的電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，在工業(yè)中所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡(jiǎn)稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和 頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以一般不適和通過(guò)改變?cè)撝?來(lái)調(diào)整電機(jī)的速度。
另外，頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。
因此，以控制頻率為目的的西門(mén)子變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。
n = 60f/p
n: 同步速度
f: 電源頻率
p: 電機(jī)極對(duì)數(shù)
結(jié)論：改變頻率和電壓是*的電機(jī)控制方法
如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)出于過(guò)電壓（過(guò)勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此西門(mén)子變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時(shí)，電壓卻不可以繼續(xù)增加，zui高只能是等于電機(jī)的額定電壓。
例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，把西門(mén)子變頻器的輸出頻率從50Hz改變到25Hz，這時(shí)西門(mén)子變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V
2. 當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（頻率）改變時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)怎樣？
*1: 工頻電源
由電網(wǎng)提供的動(dòng)力電源（商用電源）
*2: 起動(dòng)電流
當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，西門(mén)子變頻器的輸出電流
　　　　　西門(mén)子變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和zui大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動(dòng)
電機(jī)在工頻電源供電時(shí)起動(dòng)和加速?zèng)_擊很大，而當(dāng)使用西門(mén)子變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)起動(dòng)電流。而當(dāng)使用西門(mén)子變頻器時(shí)，西門(mén)子變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動(dòng)電流和沖擊要小些。
通常，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p小。減小的實(shí)際數(shù)據(jù)在有的西門(mén)子變頻器手冊(cè)中會(huì)給出說(shuō)明。
通過(guò)使用磁通矢量控制的西門(mén)子變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
3. 當(dāng)西門(mén)子變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計(jì)制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個(gè)電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速. （T=Te P=Pe）
西門(mén)子變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。
當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
舉例，電機(jī)在100Hz時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。
因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速. （P=Ue*Ie）
4、矢量控制是怎樣使電機(jī)具有大的轉(zhuǎn)矩的？ 
　　轉(zhuǎn)矩提升：此功能增加西門(mén)子變頻器的輸出電壓，以使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比的關(guān)系增加，從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù),使用"矢量控制"，可以使電機(jī)在低速,如（無(wú)速度傳感器時(shí)）1Hz（對(duì)4極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（zui大約為額定轉(zhuǎn)矩的150％）。對(duì)于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對(duì)增加，這就導(dǎo)致由于勵(lì)磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個(gè)不足，西門(mén)子變頻器中需要通過(guò)提高電壓，來(lái)補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引起的電壓降。西門(mén)子變頻器的這個(gè)功能叫做"轉(zhuǎn)矩提升"（*1）。轉(zhuǎn)矩提升功能是提高西門(mén)子變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng)的提高。 因?yàn)殡姍C(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。"矢量控制"把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量（如勵(lì)磁分量）的數(shù)值。"矢量控制"可以通過(guò)對(duì)電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對(duì)改善電機(jī)低速時(shí)溫升也有效。
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：徐美玲
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