變頻器工作原理

任永恒

摘要：隨著石油行業(yè)的快速發(fā)展，鉆井設(shè)備的更新。變頻技術(shù)的應(yīng)用，把我這幾年對使用電動動設(shè)備的認識作下總結(jié)。

關(guān)鍵詞：基本概念；原理；使用

1、基本概念

（1）VVVF改變電壓、改變頻率

（2）CVCP恒電壓、恒頻率

各國使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為“變頻器”（inverter）。

變頻器也可用于家電產(chǎn)品，（例如空調(diào)等），用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。

2.電機的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變

（1）r/min電機旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm。例如：4極電機60Hz1800（r/min），4極電機50Hz1500（r/min），電機的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例。n=60f/p，n：同步速度，f：電源頻率，P：電機極數(shù)，改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法。如果僅改變頻率，電機將被燒壞。為了防止電機燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓，例如：為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。

3.關(guān)于教熱的網(wǎng)題

如果要正確的使用變頻器，必須認真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升，使用壽命隨溫度升高而呈指數(shù)的下降。在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的，變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響。

通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發(fā)熱量大概是多少，可以用以下公式估算：發(fā)熱量的近似值=變頻器容量（KW）×55[W]在這里，如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負載為準的（過流能力150%*60s）如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器，并且也在柜子里面，這是發(fā)熱量會更大一些.電抗器安裝在變頻器側(cè)面或測上方比較好。這時可以用估算：變頻器容量（KW）×60[W]因為各變頻器廠的硬件都差不多，所以上式可以針對各種品牌的產(chǎn)品。注意：如果有制動電阻的話，因為制動電阻的散熱量很大，因此最好安裝位置最好和變頻器隔離開，如裝在柜子上面或旁邊等。那么怎樣才能降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量呢？當變頻器安裝在控制柜中時，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。根據(jù)機柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當?shù)牡卦黾訖C柜的尺寸。因此要是控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要是機柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能的減少。如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器不問放到控制機柜的外面將會使變頻器由70%的發(fā)熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器由很大的發(fā)熱量，所以對大容量變頻器更加有效。還可以用隔離半把本體和散熱器隔開，式散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果也很好。變頻器散熱設(shè)計中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的，橫著放散熱會變差，一般功率進風口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進入控制柜。

另外，散熱問題還要注意以下兩個問題：

（1）在海拔高于1000m的地方，因為空氣密度降低，因此應(yīng)加大柜子的冷卻風量以改善冷卻效果。理論上變頹器也應(yīng)考慮降容，1000m每-5%。但由于實際上因為設(shè)計上變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大，所以也要看具體應(yīng)用。比方說在1500m的地方，但是周期性負載，如電梯，就不必要降容。（2）開關(guān)頻率：變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT. IGBT的發(fā)熱有集中在開和關(guān)的瞬間。因此開關(guān)頻率高時自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。有的廠家宜格降低開關(guān)頻率可以擴容，就是這個道理，

4、矢量控制是怎樣使電機具有大的轉(zhuǎn)矩的？

（1）轉(zhuǎn)矩提升；此功能增加變頻器的輸出電壓，以使點擊的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比的關(guān)系增加，從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩。改善點擊低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù)，使用“矢量控制”，可以使電機在低速，如（無轉(zhuǎn)速傳感器時）1Hz時的輸出轉(zhuǎn)矩可以到到點擊在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%）。對于常規(guī)的V/F控制電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導(dǎo)致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補償這個不足，變頻器需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓下降。變頻器的這個功能叫做“轉(zhuǎn)矩提升”，“失量控制”可以通過電機端的電壓降的響應(yīng)，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。

5、變頻器制動的有關(guān)問題

（1）制動的概念：指電能從電機側(cè)流到變頻器側(cè)（或供電電源側(cè)），這時電機的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，負載的能量分為動能和勢能，動能（由速度和重量響定其大小）隨著物體的運動而累積，當動能減為零時，該事物就處于停止狀態(tài)。機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低。這時會產(chǎn)生制動過程。由制動產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)。這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類負載，在下降時，能量（勢能）也要返回到變頻器（或電源）側(cè)進行制動，這種操作方法被稱作“再生制動”，而該方法可應(yīng)用于變頓器制動，在減速期間，產(chǎn)生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)的方法叫做“功率返回再生方法”。在實際中，這種應(yīng)用需要”能量回饋單元“選件.

（2）怎樣提高制動能力？

為了用散熱來消耗再生功率，需要在變頻器側(cè)安裝制動電阻，為了改善制動能力，不能期望靠增加變頻器的容量來解決間題。請選用”制動電阻”、“制動單元”或”功率再生變換器“等選件來改善變頻器的制動效果。

我們經(jīng)常聽到下面的說法： “電機在工頻電源供電時時，電機的起動和加速沖擊很大，而當使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些”。 如果用大的電壓和頻率起動電機例如使用工頻電網(wǎng)直接供電，就會產(chǎn)生一個大的起動沖擊，而當使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的，所以電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要小于工頻電網(wǎng)供電的轉(zhuǎn)矩值。所以變頻器驅(qū)動的電機起動電流要小些。通常，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小（速度降低）而減些，減小的實際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊中會給出說明。通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。當變頻器調(diào)速到大于60Hz頻率時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低。通常的電機是按50Hz（60Hz）電壓設(shè)計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(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)速變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。當電機以大于60Hz頻率速度運行時，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉(zhuǎn)矩的不足。