变频器是怎样控制电机转速的

 

1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变? 

电机旋转速度单位:r/min   每分钟旋转次数,也可表示为rpm.  

例如:2极电机 50Hz 3000 [r/min]  ,4极电机 50Hz 1500 [r/min]  

结论:电机的旋转速度同频率成比例  

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),所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外,频率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: 电机极对数  

结论:改变频率和电压是最优的电机控制方法。

如果仅改变频率而不改变电压,频率降低时会使电机出于过电压(过励磁),导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时,电压却不可以继续增加,最高只能是等于电机的额定电压。例如:为了使电机的旋转速度减半,把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz,这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V 。

 

2. 当电机的旋转速度频率改变时,其输出转矩会怎样?  

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,电机在工频电源供电时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。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流,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,所以电机起动电流和冲击要小些。通常,电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减小,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。  

 

3. 当变频器调速到大于50Hz频率时,电机的输出转矩将降低  

通常的电机是按50Hz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50Hz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)  

 

4. 变频器50Hz以上的应用情况  

大家知道, 对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。如变频器和电机额定值都是:15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。当转速为50Hz时,变频器的输出电压为380V,电流为30A。这时如果增大输出频率到60Hz,变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A,很显然输出功率不变,所以我们称之为恒功率调速。

这时的转矩情况怎样呢?  

因为P=wT (w:角速度,T:转矩). 因为P不变,w增加了,所以转矩会相应减小。  

我们还可以再换一个角度来看:  

电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感应电势)  

可以看出, U、I不变时, E也不变。  

而E = k*f*X,(k:常数,f:频率, X:磁通), 所以当f由50-->60Hz时,X会相应减小  。

对于电机来说,T=K*I*X, (K:常数,I:电流,X:磁通), 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。 

同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小,所以U/f=E/f不变时,磁通(X)为常数, 转矩T和电流成正比。

这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力, 并称为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变)  

结论:当变频器输出频率从50Hz以上增加时,电机的输出转矩会减小。 

 

5. 其他和输出转矩有关的因素  

发热和散热能力决定变频器的输出电流能力,从而影响变频器的输出转矩能力。

载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值。 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。  

环境温度:就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值。 

海拔高度:海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响。一般1000m以下可以不考虑,以上每1000米降容5%就可以了。

 

2019年9月20日
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