通用變頻器原理與變頻器選用原則
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通用變頻器原理與變頻器選用原則
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一 通用變頻器原理與變頻器選用原則
1 引言
目前，變頻器在我國的應(yīng)用正高速上升，但不少人員在應(yīng)用方面常遇到困惑，需要一本詳細(xì)的指導(dǎo)性的專門文獻(xiàn)。
本文試圖從應(yīng)用角度系統(tǒng)地講述常見技術(shù)性問題，以對變頻器應(yīng)用涉足不深的人員有所幫助。考慮到所面向的對象，文
中沒有高深的數(shù)學(xué)，但基本原理和豐富的多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，相信會對讀者有所收益。
2 通用變頻器基本原理
本資料所述通用變頻器是指適用于工業(yè)通用電機(jī)和一般變頻電機(jī)、并由一般電網(wǎng)供電(單相220V、三相380V 50Hz)、
作調(diào)速控制的變頻器。此類變頻器由于工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用已成為變頻器的主流。調(diào)速的基本原理基于以下公式:
式(1)中: n1—同步轉(zhuǎn)速(r/min);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
P—磁極對數(shù)。
一般異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)系
式(2)中: n—異步電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);
S—異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。
由(2)式可知，調(diào)速的方法可改變f1、P、S其中任意一種達(dá)到，對異步電機(jī)最好的方法是改變頻率f1，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。
由電機(jī)理論，三相異步電機(jī)每相電勢的有效值與下式有關(guān)。
式(3)中: E1—定子每相電勢有效值(V);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
N1—定子繞組有效匝數(shù);
Фm—定子磁通(Wb)。
由(3)式可分成兩種情況分析:
(1) 在頻率低于供電的額定電源頻率時(shí)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
變頻器設(shè)計(jì)時(shí)為維持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，必須維持每極氣隙磁通Фm不變，從(3)式可知，也就是要使E1/f1=常數(shù)。如
忽略定子漏阻抗壓降，可以認(rèn)為供給電機(jī)的電壓U1與頻率f1按相同比例變化，即U1/f1=常數(shù)。
但是在頻率較低時(shí)，定子漏阻抗壓降已不能忽略，因此要人為地提高定子電壓，以作漏抗壓降的補(bǔ)償，維持E1/f1≈
常數(shù)，此時(shí)變頻器輸出U1/f1關(guān)系如圖1中的曲線2，而不再是曲線1。
深圳市普傳科技有限公司
SHENZHEN POWTRAN TECHNOLOGY CO. ,LTD
地址：深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)街道寶民二路75號興鑫源商務(wù)大廈A座 普傳科技大樓
電話：0755-29666234 29666280 傳真：0755-29666485
郵箱：powtran@powtran.com
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圖1 U/f 關(guān)系
多數(shù)變頻器在頻率低于電機(jī)額定頻率時(shí), 輸出的電壓U1和頻率f1類似圖1中曲線2, 并且隨著設(shè)置不同, 可改變補(bǔ)償曲
線的形狀，使用者要根據(jù)實(shí)際電機(jī)運(yùn)行情況調(diào)整。
(2) 在頻率高于定子供電的額定電源頻率時(shí)屬于恒功率調(diào)速。
此時(shí)變頻器的輸出頻率f1提高，但變頻器的電源電壓由電網(wǎng)電壓決定，不能繼續(xù)提高。根據(jù)公式(3)，E1不能變，f1提
高必然使Фm下降，由于Фm與電流或轉(zhuǎn)矩成正比，因此也就使轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)矩雖然下降了，但因轉(zhuǎn)速升高了，所以
它們兩的乘積并未變，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積表征著功率。因此這時(shí)候電機(jī)處在恒功率輸出的狀態(tài)下運(yùn)行。
異步電機(jī)變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)域狀態(tài)的特性如圖2所示。
圖2 異步電機(jī)調(diào)速時(shí)的輸出特性
由以上分析可知通用變頻器對異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出
電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調(diào)速(VVVF)。
而在額定頻率以上，電壓并不變，只改變頻率。
實(shí)際上多數(shù)變頻調(diào)速場合是用于額定頻率以下，低頻時(shí)采用的補(bǔ)償都是為了解決低頻轉(zhuǎn)矩的下降，其采用的方式多
種多樣。有矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及擬超導(dǎo)技術(shù)(森蘭變頻特有專利技術(shù))等等。其作用不外乎動態(tài)地改變
低頻時(shí)的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，也就是利用電路和電腦技術(shù)，實(shí)時(shí)地而不是固定地改變圖2中曲線1
的形狀達(dá)到低速時(shí)力矩提升，并且穩(wěn)定運(yùn)行，又不至于電流太大而造成故障。
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圖3 通用變頻器基本電路
通用變頻器的基本電路如圖3所示，它由4個主要部分組成，分別是:
1—整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?
2—濾波部分，把脈動較大的交流電進(jìn)行濾波變成比較平滑的直流電;
3—逆變部分，把直流電又轉(zhuǎn)換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關(guān)元件按照控制電路的驅(qū)動、輸出脈沖
寬度被調(diào)制的PWM波，或者正弦脈寬調(diào)制SPWM波，當(dāng)這種波形的電壓加到負(fù)載上時(shí)，由于負(fù)載電感作用，使電流
連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形;
4—控制電路是用來產(chǎn)生輸出逆變橋所需要的各驅(qū)動信號，這些信號是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、
外部通斷控制以及變頻器內(nèi)部各種各樣的保護(hù)和反饋信號的綜合控制等。
特別要指出的，通用變頻器對負(fù)載的輸出波形都是雙極性SPWM波，這種波形可以大幅度提高變頻器的效率，但同
時(shí)這種波形使變頻器的輸出區(qū)別于正常正弦波, 產(chǎn)生了變頻器很多特殊之處，需要使用者予以重視。雙極性SPWM波
如圖4所示, 其中圖4(a)是三角形的載波與正弦形信號進(jìn)行比較的情形，圖4(b)是比較后獲的SPWM波形。
圖4 雙極性SPWM調(diào)制器
3 普傳科技變頻器基本系列介紹
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地址：深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)街道寶民二路75號興鑫源商務(wù)大廈A座 普傳科技大樓
電話：0755-29666234 29666280 傳真：0755-29666485
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a. 普傳科技PI7550系列單相小功率變頻器. 該系列功率范圍為0.75kW~1.5KW，電壓等級：220V。 普傳科技PI7550
變頻器在秉承POWTRAN產(chǎn)品性能穩(wěn)定、功能豐富的同時(shí)，采用了塑殼緊湊型設(shè)計(jì)，產(chǎn)品外形美觀大方、工藝先
進(jìn)、設(shè)置靈活，具有性價(jià)比高、操作方便、精巧美觀、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，為客戶提供了一種高效、實(shí)用的電機(jī)控制
解決方案。普傳科技PI7550變頻器的推出豐富了普傳科技7系列產(chǎn)品線。
b. “順”品牌是普傳科技旗下的子品牌，該品牌產(chǎn)品包括三相380V,0.75\1.5\2.2kw等三款普傳科技PI7660系列變頻
器,是全新包裝上市的新概念產(chǎn)品，也是一個全新性價(jià)比的、具有超強(qiáng)競爭力的新品。
c. 普傳科技PI7600/PI7800系列變頻器是普傳科技應(yīng)市場需求t推出的一款全新產(chǎn)品，它應(yīng)用先進(jìn)的空間電壓矢量SP
WM控制技術(shù)，采用高性能的功率模塊和DSP芯片，內(nèi)置電流控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)控制，達(dá)到電壓和頻率輸
出的高穩(wěn)定性和高精度要求。全新的生產(chǎn)工藝和完備的檢測設(shè)備，保證了該產(chǎn)品在應(yīng)用中更加穩(wěn)定可靠。
d. 普傳科技PI7500 作為基于電機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)基礎(chǔ)的變頻器專業(yè)制造商，普傳科技不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，在采用DSP實(shí)現(xiàn)
控制的PI7000及PI7100系列變頻器備受用戶喜愛和市場歡迎時(shí)，又根據(jù)市場需要推出了精心設(shè)計(jì)的PI7500系列小
功率變頻器. 該系列功率范圍為0.4kW～2.2kW，電壓等級：220－460V。
4 變頻器的選用原則
4.1 變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動異步電機(jī)的功率和電流
由于變頻的過載能力沒有電機(jī)過載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)有過載，損壞的首先是變頻器(如果變頻器的保護(hù)功能不完善的
話);又如果設(shè)備上已選用的電機(jī)功率大于實(shí)際機(jī)械負(fù)載功率，但是有可能用戶會將把機(jī)械功率調(diào)節(jié)到達(dá)到電機(jī)輸出功
率，此時(shí)，變頻器一定要可以勝任，也就是說變頻器的功率選用一定要等于或大于電機(jī)功率。
個別電機(jī)額定電流值較特殊，不在常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格附近，又有的電機(jī)額定電壓低，額定電流偏大，此時(shí)要求變頻器的
額定電流必須等于或大于電機(jī)額定電流。
4.2 必須認(rèn)清變頻器調(diào)速與機(jī)械變速存在本質(zhì)上的區(qū)別
絕對不能不假思索地將某電機(jī)使用機(jī)械變速改為相同功率的變頻器變速。因?yàn)楣β适寝D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積:
機(jī)械變
速時(shí)(例如齒轉(zhuǎn)變速、皮帶變速)、若變比為K，在電機(jī)功率不變時(shí)，忽略變速器效率，
即轉(zhuǎn)速下降K倍，會造成轉(zhuǎn)矩可升高K倍，它屬于恒功率負(fù)載，這就如圖5的曲線1所示。
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一 通用變頻器原理與變頻器選用原則
1 引言
目前，變頻器在我國的應(yīng)用正高速上升，但不少人員在應(yīng)用方面常遇到困惑，需要一本詳細(xì)的指導(dǎo)性的專門文獻(xiàn)。
本文試圖從應(yīng)用角度系統(tǒng)地講述常見技術(shù)性問題，以對變頻器應(yīng)用涉足不深的人員有所幫助。考慮到所面向的對象，文
中沒有高深的數(shù)學(xué)，但基本原理和豐富的多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，相信會對讀者有所收益。
2 通用變頻器基本原理
本資料所述通用變頻器是指適用于工業(yè)通用電機(jī)和一般變頻電機(jī)、并由一般電網(wǎng)供電(單相220V、三相380V 50Hz)、
作調(diào)速控制的變頻器。此類變頻器由于工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用已成為變頻器的主流。調(diào)速的基本原理基于以下公式:
式(1)中: n1—同步轉(zhuǎn)速(r/min);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
P—磁極對數(shù)。
一般異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)系
式(2)中: n—異步電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);
S—異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。
由(2)式可知，調(diào)速的方法可改變f1、P、S其中任意一種達(dá)到，對異步電機(jī)最好的方法是改變頻率f1，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。
由電機(jī)理論，三相異步電機(jī)每相電勢的有效值與下式有關(guān)。
式(3)中: E1—定子每相電勢有效值(V);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
N1—定子繞組有效匝數(shù);
Фm—定子磁通(Wb)。
由(3)式可分成兩種情況分析:
(1) 在頻率低于供電的額定電源頻率時(shí)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
變頻器設(shè)計(jì)時(shí)為維持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，必須維持每極氣隙磁通Фm不變，從(3)式可知，也就是要使E1/f1=常數(shù)。如
忽略定子漏阻抗壓降，可以認(rèn)為供給電機(jī)的電壓U1與頻率f1按相同比例變化，即U1/f1=常數(shù)。
但是在頻率較低時(shí)，定子漏阻抗壓降已不能忽略，因此要人為地提高定子電壓，以作漏抗壓降的補(bǔ)償，維持E1/f1≈
常數(shù)，此時(shí)變頻器輸出U1/f1關(guān)系如圖1中的曲線2，而不再是曲線1。
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圖1 U/f 關(guān)系
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線的形狀，使用者要根據(jù)實(shí)際電機(jī)運(yùn)行情況調(diào)整。
(2) 在頻率高于定子供電的額定電源頻率時(shí)屬于恒功率調(diào)速。
此時(shí)變頻器的輸出頻率f1提高，但變頻器的電源電壓由電網(wǎng)電壓決定，不能繼續(xù)提高。根據(jù)公式(3)，E1不能變，f1提
高必然使Фm下降，由于Фm與電流或轉(zhuǎn)矩成正比，因此也就使轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)矩雖然下降了，但因轉(zhuǎn)速升高了，所以
它們兩的乘積并未變，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積表征著功率。因此這時(shí)候電機(jī)處在恒功率輸出的狀態(tài)下運(yùn)行。
異步電機(jī)變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)域狀態(tài)的特性如圖2所示。
圖2 異步電機(jī)調(diào)速時(shí)的輸出特性
由以上分析可知通用變頻器對異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出
電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調(diào)速(VVVF)。
而在額定頻率以上，電壓并不變，只改變頻率。
實(shí)際上多數(shù)變頻調(diào)速場合是用于額定頻率以下，低頻時(shí)采用的補(bǔ)償都是為了解決低頻轉(zhuǎn)矩的下降，其采用的方式多
種多樣。有矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及擬超導(dǎo)技術(shù)(森蘭變頻特有專利技術(shù))等等。其作用不外乎動態(tài)地改變
低頻時(shí)的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，也就是利用電路和電腦技術(shù)，實(shí)時(shí)地而不是固定地改變圖2中曲線1
的形狀達(dá)到低速時(shí)力矩提升，并且穩(wěn)定運(yùn)行，又不至于電流太大而造成故障。
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圖3 通用變頻器基本電路
通用變頻器的基本電路如圖3所示，它由4個主要部分組成，分別是:
1—整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?
2—濾波部分，把脈動較大的交流電進(jìn)行濾波變成比較平滑的直流電;
3—逆變部分，把直流電又轉(zhuǎn)換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關(guān)元件按照控制電路的驅(qū)動、輸出脈沖
寬度被調(diào)制的PWM波，或者正弦脈寬調(diào)制SPWM波，當(dāng)這種波形的電壓加到負(fù)載上時(shí)，由于負(fù)載電感作用，使電流
連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形;
4—控制電路是用來產(chǎn)生輸出逆變橋所需要的各驅(qū)動信號，這些信號是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、
外部通斷控制以及變頻器內(nèi)部各種各樣的保護(hù)和反饋信號的綜合控制等。
特別要指出的，通用變頻器對負(fù)載的輸出波形都是雙極性SPWM波，這種波形可以大幅度提高變頻器的效率，但同
時(shí)這種波形使變頻器的輸出區(qū)別于正常正弦波, 產(chǎn)生了變頻器很多特殊之處，需要使用者予以重視。雙極性SPWM波
如圖4所示, 其中圖4(a)是三角形的載波與正弦形信號進(jìn)行比較的情形，圖4(b)是比較后獲的SPWM波形。
圖4 雙極性SPWM調(diào)制器
3 普傳科技變頻器基本系列介紹
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a. 普傳科技PI7550系列單相小功率變頻器. 該系列功率范圍為0.75kW~1.5KW，電壓等級：220V。 普傳科技PI7550
變頻器在秉承POWTRAN產(chǎn)品性能穩(wěn)定、功能豐富的同時(shí)，采用了塑殼緊湊型設(shè)計(jì)，產(chǎn)品外形美觀大方、工藝先
進(jìn)、設(shè)置靈活，具有性價(jià)比高、操作方便、精巧美觀、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，為客戶提供了一種高效、實(shí)用的電機(jī)控制
解決方案。普傳科技PI7550變頻器的推出豐富了普傳科技7系列產(chǎn)品線。
b. “順”品牌是普傳科技旗下的子品牌，該品牌產(chǎn)品包括三相380V,0.75\1.5\2.2kw等三款普傳科技PI7660系列變頻
器,是全新包裝上市的新概念產(chǎn)品，也是一個全新性價(jià)比的、具有超強(qiáng)競爭力的新品。
c. 普傳科技PI7600/PI7800系列變頻器是普傳科技應(yīng)市場需求t推出的一款全新產(chǎn)品，它應(yīng)用先進(jìn)的空間電壓矢量SP
WM控制技術(shù)，采用高性能的功率模塊和DSP芯片，內(nèi)置電流控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)控制，達(dá)到電壓和頻率輸
出的高穩(wěn)定性和高精度要求。全新的生產(chǎn)工藝和完備的檢測設(shè)備，保證了該產(chǎn)品在應(yīng)用中更加穩(wěn)定可靠。
d. 普傳科技PI7500 作為基于電機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)基礎(chǔ)的變頻器專業(yè)制造商，普傳科技不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，在采用DSP實(shí)現(xiàn)
控制的PI7000及PI7100系列變頻器備受用戶喜愛和市場歡迎時(shí)，又根據(jù)市場需要推出了精心設(shè)計(jì)的PI7500系列小
功率變頻器. 該系列功率范圍為0.4kW～2.2kW，電壓等級：220－460V。
4 變頻器的選用原則
4.1 變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動異步電機(jī)的功率和電流
由于變頻的過載能力沒有電機(jī)過載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)有過載，損壞的首先是變頻器(如果變頻器的保護(hù)功能不完善的
話);又如果設(shè)備上已選用的電機(jī)功率大于實(shí)際機(jī)械負(fù)載功率，但是有可能用戶會將把機(jī)械功率調(diào)節(jié)到達(dá)到電機(jī)輸出功
率，此時(shí)，變頻器一定要可以勝任，也就是說變頻器的功率選用一定要等于或大于電機(jī)功率。
個別電機(jī)額定電流值較特殊，不在常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格附近，又有的電機(jī)額定電壓低，額定電流偏大，此時(shí)要求變頻器的
額定電流必須等于或大于電機(jī)額定電流。
4.2 必須認(rèn)清變頻器調(diào)速與機(jī)械變速存在本質(zhì)上的區(qū)別
絕對不能不假思索地將某電機(jī)使用機(jī)械變速改為相同功率的變頻器變速。因?yàn)楣β适寝D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積:
機(jī)械變
速時(shí)(例如齒轉(zhuǎn)變速、皮帶變速)、若變比為K，在電機(jī)功率不變時(shí)，忽略變速器效率，
即轉(zhuǎn)速下降K倍，會造成轉(zhuǎn)矩可升高K倍，它屬于恒功率負(fù)載，這就如圖5的曲線1所示。
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