问求变频器的原理，最好细一些，不要太笼统

基础知识 1、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。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。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。 本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。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。因此，我们要重视散热问题啊！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150% × 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. 注意： 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。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。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。 二、其他关于散热的问题 1.在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，1000m每-5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。 2.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。 3.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，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。

引 言 目前，变频器在我国的应用正高速上升，但不少人员在应用方面常遇到困惑，需要一本详细的指导性的专门文献。本文试图从应用角度系统地讲述常见技术性问题，以对变频器应用涉足不深的人员有所帮助。考虑到所面向的对象，文中没有高深的数学，但基本原理和丰富的多年实践经验积累，相信会对读者有所收益。 通用变频器基本原理本资料所述通用变频器是指适用于工业通用电机和一般变频电机、并由一般电网供电（单相220v、三相380v50hz）、作调速控制的变频器。此类变频器由于工业领域的广泛使用已成为变频器的主流。调速的基本原理基于以下公式: 式（1）中:n1—同步转速（r/min）; f1—定子供电电源频率（hz）; p—磁极对数。 一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系 式（2）中:n—异步电机转速（r/min）; s—异步电机转差率。由（2）式可知，调速的方法可改变f1、p、s其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f1，实现调速控制。由电机理论，三相异步电机每相电势的有效值与下式有关。 式（3）中:e1—定子每相电势有效值（v）; f1—定子供电电源频率（hz）; n1—定子绕组有效匝数; фm—定子磁通（wb）。 由（3）式可分成两种情况分析:（1）在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速。变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通фm不变，从（3）式可知，也就是要使e1/f1=常数。如忽略定子漏阻抗压降，可以认为供给电机的电压u1与频率f1按相同比例变化，即u1/f1=常数。 但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，因此要人为地提高定子电压，以作漏抗压降的补偿，维持e1/f1≈常数，此时变频器输出u1/f1关系如图1中的曲线2，而不再是曲线1。 图1u/f关系 多数变频器在频率低于电机额定频率时,输出的电压u1和频率f1类似图1中曲线2,并且随着设置不同,可改变补偿曲线的形状，使用者要根据实际电机运行情况调整。 （2）在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。 此时变频器的输出频率f1提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。根据公式（3），e1不能变，f1提高必然使фm下降，由于фm与电流或转矩成正比，因此也就使转矩下降，转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们两的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功率。因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。 异步电机变频调速恒转矩和恒功率区域状态的特性如图2所示。 图2 异步电机调速时的输出特性 由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速（vvvf）。而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。 实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下，低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降，其采用的方式多种多样。有矢量控制技术，直接转矩控制技术以及拟超导技术（森兰变频特有专利技术）等等。其作用不外乎动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率，也就是利用电路和电脑技术，实时地而不是固定地改变图2中曲线1的形状达到低速时力矩提升，并且稳定运行，又不至于电流太大而造成故障。图3通用变频器基本电路 通用变频器的基本电路如图3所示，它由4个主要部分组成， 分别是:1—整流部分，把交流电压变为直流电压; 2—滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电; 3—逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的pwm波，或者正弦脉宽调制spwm波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形; 4—控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号，这些信号是受外部指令决定的，有频率、频率上升下降速率、外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。 特别要指出的，通用变频器对负载的输出波形都是双极性spwm波，这种波形可以大幅度提高变频器的效率，但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波,产生了变频器很多特殊之处，需要使用者予以重视。双极性spwm波如图4所示,其中图4（a）是三角形的载波与正弦形信号进行比较的情形，图4（b）是比较后获的spwm波形。 图4双极性spwm调制器 3森兰变频器基本系列介绍 森兰变频器基本系列、功率、特性简表如表1，详细请见各系列产品《使用手册》。 森兰变频器因各系列各有特点，因此使用前要根据用途合理选用。 （1）bt40系列有三相380v和单相220v电源供电，适合于通常工业控制调速场合，v/f=常数的控制方式，而且有转矩提升功能，由用户根据需要而调整，使用操作比较方便。 （2）bt12系列是专门给风机水泵类负载设计的变频器，使用该系列有利于风机水泵调速系统的设计和简化，产品带有pid、多泵切换、换泵、睡眠唤醒、消防控制、水位控制、定时开关机等功能。 （3）sb60系列是一种功能齐全的所谓“森兰全能王”系列，它能适应于要求较高的场合，产品中不仅有v/f开环和闭环模式，而且有无速度传感器矢量控制模式和pg速度传器矢量控制模式，还可以利用rs-485接口同上位机通讯。外壳采用塑料制作，美观大方，功率在11～15kw。 sb60系列安全性良好，防护等级比bt40和bt12高一个等级为ip20，并已取得欧共体ce认证。 （4）sb61系列功能同sb60系列相当，功率较大，从15～315kw，金属喷塑外壳，ip20防护等级。 （5）sb20系列是小功率经济型系列，功能比sb60有所简化,适合一般小功率电机调速,体积小巧,经济实用。（6）sb40系列是bt40的改进型。外型、外观、使用特性、防护等级、可靠性都有所提高，使用贴片元件改善电气性能，减少干扰，使用温控风机延长了风机寿命，并有旋钮调频机种可供选用。（7）sb12系列是bt12的改进型。有同sb40相似的改进范围。（8）sb80系列变频器采用了最新的32位嵌入式高速电机控制专用数字处理器，利用模型参考自适应方法解决了电机电阻参数在线辨识的难题，实现了普通变频器难以涉及的高性能无速度传感器基于瞬时转子磁场定向的真正矢量控制算法。sb80系列使用最新的模型自适应技术和励磁电流正弦注入检测技术，可以实现转速、定子电阻和转子电阻三个参数同时辨识，能准确辨识电机运行时的参数变化，结合本公司的专利技术“一种电流采样电阻”（专利号:01206891.8），使定子电阻和转子电阻检测精度和观测准确性有了极大的提高，不但可以消除参数初值误差的影响，还可以自动适应电机温度变化导致的参数变化的影响，使磁通观测和速度辨识准确。上述先进技术的使用，首次实现了基于瞬时转子磁场定向和精确磁通观测的真正动态电流矢量控制，其参数辨识的稳定性和电流控制的快速性为停电再起动、旋转启动、快速加速减速、突变负载无跳闸控制提供了很好的解决手段。 4 变频器的选用原则 4.1变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流 由于变频的过载能力没有电机过载能力强，一旦电机有过载，损坏的首先是变频器（如果变频器的保护功能不完善的话）;又如果设备上已选用的电机功率大于实际机械负载功率，但是有可能用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率，此时，变频器一定要可以胜任，也就是说变频器的功率选用一定要等于或大于电机功率。 个别电机额定电流值较特殊，不在常用标准规格附近，又有的电机额定电压低，额定电流偏大，此时要求变频器的额定电流必须等于或大于电机额定电流。 4.2必须认清变频器调速与机械变速存在本质上的区别 绝对不能不假思索地将某电机使用机械变速改为相同功率的变频器变速。因为功率是转矩与转速的乘积: 机械变速时（例如齿转变速、皮带变速）、若变比为k，在电机功率不变时，忽略变速器效率， 即转速下降k倍，会造成转矩可升高k倍，它属于恒功率负载，这就如图5的曲线1所示。 图5不同负载的机械特性 而变频器的转矩—转速曲线如图2曲线3所示，低于额定频率时，恒转矩运行，电机不能提高输出转矩。高于额定频率时，转速升高转矩下降。 图5表示常见的不同负载机械特性。图5中3为平方律负载（例如风机、水泵）、2为恒转矩负载（例如传送带），这二种负载在电机低与额定频率运行时，负载力矩没有增加，所以当在额定频率以下时，可以按电机功率大小配置变频器功率。 图5中1是恒功率负载（例如切削机床），低速时力矩增加;而变频器和电机低于额定频率时电流被限制，力矩不能增加，所以变频器调低电机转速有可能会造成电机带不动负载，选用时要根据减速造成力矩增加的比例，选用比原电机功率大的电机和变频器。例如原来1.5kw电机，负载转矩1kgm,转速1460r/min，机械变速后转速降到720r/min，转矩就可达2kgm，但原来的电机和变频器不可能输出2kgm的转矩。因此，要改变电机和变频器都是1.5×2=3kw，选用标准功率3.7或4kw的电机和变频器才行。4.3变频器的选用型号应根据使用要求而作细仔考虑 （1）基本考虑内容是使用环境条件、电网电压、负载大小及性质。 （2）环境温度长期较高，安装在通风冷却不良的机柜内时，会造成变频器寿命缩短。电子器件、特别是电解电容等器件、在高于额定温度后，每升高10℃寿命会下降一半，因此环境温度应保持较低，除设置完善的通风冷却系统以保证变频器正常运行外，在选用上增大一个容量等级，以使额定运行时，温升有所下降是完全必要的。 （3）电网电压处于不正常时，将有害于变频器。电压过高，如对380v的线电压如上升到450v就会造成损坏，因此电网电压超过使用手册规定范围的场合，要使用变压器调整，以确保变频器的安全。（4）高海拔地区因空气密度降低，散热器不能达到额定散热器效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要时可加大容量等级，以免变频器过热。 （5）使用于不同用途时，选择变频器的系列型号应作分析，对于一般用途变频器采用v/f=常数控制方式已可满足，对于负载变化范围大，而且又要求较高运转精度的场合，特别是低速时要求有稳定的速度和负载能力时，则要选用矢量控制等方式的变频器，对数控机床等精密传动还要采用闭环控制和有速度传感器的方式，相应的变频器也要有这些配合的接口，选用时需要综合考虑。 （6）变频器使用不同场所对变频器的防护等级要作选择，为防止鼠害、异物等进入应作防护选择，常见ip10、ip20、ip30、ip40等级分别能防止ф50、ф12、ф2.5、ф1固体物进入。 （7）当变频器为降低电动机噪声而将调制频率重新设置得较高并超过出厂设置频率时,会造成变频器损耗增大。设置频率越高，损耗越大，因此要适当减载，表示不同调制频率和负载率时的相应减载曲线，不同公司、不同系列会有差别，但趋势是相似的。不少使用者由于不懂这一点，