变频器的工作原理

作者：蓝天设计学院时间：20200619

变频器的工作原理
摘要：变频器具有稳压、调速、调压、调频等功能，它应用了现代科学与技术，虽然价格昂贵、内部结构复杂，但其性能良好、使用简单，所以变频器不只是用于电动机，其不同的功率、外形、体积在各个领域得到广泛应用。随着应用技术的发展，制造成本的降低，变频器还会得到更广泛的应用。本文主要从变频器的工作原理入手，深入浅出的阐述变频器的调速节能功能。

关键词：变频器；电压；频率

把电压和频率固定不变的交流电转换为电压和频率可变的交流电的装置称作“变频器”，变频器为基本的“交-直-交”单相逆变电路。

我们知道感应式交流电机的旋转速度n = 60f/p（f代表频率，p代表极对数），由此公式不难看出旋转速度n的大小取决于电机的极数和频率。根据电机的工作原理知道电机的极数是不变的，所以想要调整电机的速度那就不能通过改变电机的极数来实现了。根据电机的旋转速度计算公式可以看出，我们还可以通过调节进入电机前的频率，从而控制电机的旋转速度。所以，通过控制频率来做为电机调速设备的变频器是电机的最优选择。

基本频率：是指与变频器最大输出电压相对应的频率，也就是与电机额定电压相对应的那个频率，用fBA表示。一般来说，基本频率就等于电机的额定频率，如图所示：

基本U/f线：当变频器输出频率从0Hz上升到基本频率fBA时，对应的电压也从0V上升到额定电压，相应的U/f线满足公式U=Kf，称为基本u/f线，如图（a）所示：

如果电压一定而只降低频率，那么频率降低时会使电机磁感应线圈磁通增大，磁回路严重饱和，甚至还会将电机烧毁。因此变频器在改变频率的同时一定要控制变频器电压的输出，从而保持电机磁通的一定，以避免产生磁饱和现象。

弱磁点：当变频器输出频率高于电机的额定频率时，变频器的输出电压最大只能等于电机的额定电压，因此变频器的输出电压不再随频率的上升而继续增大了，如图（b）中A点以后。此时，频率f继续增大而电压U却不变，这样U/f将随频率的上升而减小，电机磁感线圈内的磁通将因此减小，电机磁通处于弱磁状态。因此，转折点A即为弱磁点。

我们知道，对于一个电机来说，它的额定电流和额定电压是一定的，因此当输出频率超过额定频率时，电压就会刚好达到它的额定值，电压不可以再继续随频率呈线性关系变化，因此电机的最高电压只能等于电机的额定电压不会超过这个数值。

电机在工频电源供电时，采用直接启动起动电机起动电流为额定电流的6-7倍，而采用星/三角启动、自耦减压启动起动电机起动电流也为额定电流的4-5倍，起动电流很大，将对电机产生很大的机械冲击；而当使用变频器供电时，能无阶跃的平稳起动或停止电机，因为变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，起动电流为额定电流的1.2-1.5倍，所以冲击就要弱一些，并能有效的降低起动电流及配电容量，消除了对电机的机械冲击应力，延长使用寿命。

变频器在电厂的实际应用主要表现在在风机和泵上，例如给煤机、引风机、凝结水泵、循环水泵等。在生产运行过程中我们为了保证这些设备运行的可靠性和稳定性，所以在选配驱动动力时，我们在这些机械设备上都留有一定的裕度。若根据负荷的需要电机不需要在满负荷下运行时，去掉满足实际的驱动动力以外，剩下的力矩就成了损耗，包括热能损耗、有功功率损耗，这样一来就会造成电能的不必要的浪费。在没有应用变频器的情况下，风机、泵等设备调速是通过调节出入口的调节挡板的开度、阀门的开度、动叶的开度等，通过调节这些开度的大小来调节风机或泵的风量或水量，其实际动力的要求远远小于调节这些开度所用的输入功率，这样一来挡板、阀门、动叶的截流就会造成大量的电能消耗。现在我们通过变频器来对这些设备进行调速，当负荷根据实际要求减小时，通过变频器来降低泵或风机的频率从而降低它的转速就可以满足实际生产需要了，这样不但降低了电能的损耗，也保证了设备长期运行的安全。这也就应用了变频器的调速节能功能了。

参考文献：

[1]ATV12变频器安装及编程手册[Z].

[2]咸庆信.变频器实用电路图集与原理图说（第2版）[M].机械工业出版社.

[3]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册（第二版）[Z].机械工业出版社.

[4]刘美俊.变频器应用与维修[M].中国电力出版社.

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