西门子变频器工作原理与控制方式及问题汇总

      西门子变频器也可用于家电产品。使用西门子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。用于电机控制的西门子变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的西门子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。西门子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，西门子变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。
1 西门子变频器的工作原理
我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n ＝ 60 f(1 － s)/p (1)
式中 n——— 异步电动机的转速；
f——— 异步电动机的频率；
s——— 电动机转差率；
p——— 电动机极对数。
由式 (1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0 ～ 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。西门子变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2 西门子变频器控制方式
低压通用变频输出电压为 380 ～ 650V ，输出功率为 0.75 ～ 400kW ，工作频率为 0 ～ 400Hz ，它的主电路都采用交 — 直 — 交电路。其控制方式经历了以下四代。
2.1U/f=C 的正弦脉宽调制（ SPWM ）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.2 电压空间矢量（ SVPWM ）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
2.3 矢量控制（ VC ）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia 、 Ib 、 Ic 、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1 ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1 、 It1 （ Im1 相当于直流电动机的励磁电流； It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
西门子变频器工作原理
西门子变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
*1: 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：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
本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中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西门子变频器，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。因此西门子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，把西门子变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时西门子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？
*1: 工频电源
由电网提供的动力电源（商用电源）
*2: 起动电流
当电机开始运转时，西门子变频器的输出电流
　　　　　西门子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，而当使用西门子变频器供电时，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。而当使用西门子变频器时，西门子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西门子变频器手册中会给出说明。
通过使用磁通矢量控制的西门子变频器，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. 当西门子变频器调速到大于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)
西门子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、矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的？ 
　　转矩提升：此功能增加西门子变频器的输出电压，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，西门子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。西门子变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。转矩提升功能是提高西门子变频器的输出电压。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。　
1、什么是西门子变频器？
西门子变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
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）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。电机的极数是固定不变的。由于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），所以不适合改变极对数来调节电机的速度。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西门子变频器，是做为电机调速设备的优选设备。　
3、电压型与电流型有什么不同？
西门子变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的西门子变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的西门子变频器，其直流回路滤波石电感。
4、为什么西门子变频器的电压与电流成比例的改变？
异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁 电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制西门子变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于 风机、泵类节能型西门子变频器。
5、西门子变频器制动的有关问题
　　（1）制动的概念:指电能从电机侧流到西门子变频器侧（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。对于西门子变频器，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西门子变频器侧。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)也要返回到西门子变频器(或电源)侧,进行制动.这种操作方法被称作"再生制动"，而该方法可应用于西门子变频器制动。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西门子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。
6、采用西门子变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？
采用西门子变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%~200%)。用工频电源直接起动 时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用西门子变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转 矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的西门子变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。
7、V/f模式是什么意思？
频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择
8、装设西门子变频器时安装方向是否有限制。
西门子变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。
9、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的西门子变频器时是否可以？
在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于西门子变频器切断过电流，电机不能起动。
10、西门子变频器可以传动齿轮电机吗？
根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。
11、西门子变频器能用来驱动单相电机吗？可以使用单相电源吗？
机基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁
辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。西门子变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。
12、西门子变频器本身消耗的功率有多少？
它与西门子变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的西门子变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）西门子变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。
13、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？
一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的西门子变频器与电机组合，或采用专用电机。

14、西门子变频器的寿命有多久？
西门子变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。
15、西门子变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？
对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设西门子变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，西门子变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护
16、关于散热的问题
　　如果要正确的使用西门子变频器, 必须认真地考虑散热的问题。西门子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，西门子变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题啊！在西门子变频器工作时，流过西门子变频器的电流是很大的, 西门子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。