变频器柴油机工作原理.doc

变频器原理
一、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。

柴油发电机工作原理
柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。
在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油 充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。 将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。 这里只描述发电机组最基本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油机和发电机控制、保护器件和回路。 详细请进>>> 汽油发电机原理
汽油机驱动发电机运转，将汽油的能量转化为电能。 在汽油机汽缸内，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行作功。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。将无刷同步交流发电机与汽油机曲轴同轴安装，就可以利用汽油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。
工作原理：
　　柴油发电机在工作的时候，会产生大量的热量，需要冷却水对柴油机进行冷却，冷却水将柴油机的热量带走，同时从柴油机出来的高温冷却水也需要一种冷却水媒介冷却它，一般常用的方法有两种：一种是柴油机带动之风扇对水箱内高温的冷却水进行冷却，俗称风冷：另一种是通过水池或冷却塔的水来冷却柴油机内部的冷却水，俗称水冷。
　　风冷和水冷个有所长，我们可根据其使用环境做作出选择，一般机组需要经常搬迁，宜选择风冷，若机组长期固定不动，则宜选择水冷。选择水冷，因为拆卸了风扇和冷却水塔，可以降低机组噪音噪音10分贝左右，同时，风扇所消耗的功率约为机组额定功率的5%，一般在天气炎热的地区，柴油机水温往往超出额定范围，从而造成柴油机高温运行，而冷却水塔则可以认为的控制水温高低，风冷则受限制。
柴油机工作时产生的热水从柴油机的出水管流到热交换器，热交换器的冷却管内的冷水冷却柴油机的循环热水，柴油机的循环热水被冷却后重新回到柴油机，并对柴油机进行冷却。热交换器冷却管内的冷水在冷却柴油机的循环热水后水温升高，被泵到冷却塔进行冷却，冷却后送到热交换器的冷却管。柴油机的水温可通过调节水阀的开启进行调整，过滤网对冷却塔出来的冷进行过滤，然后再进入热交换管内。水冷工程可保证柴油机在85-90摄氏度的最佳水温工作。
简而言之，就是柴油发电机驱动发电机运转。 在汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油 充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。 将无刷同步交流发电机与柴油发电机曲轴同轴安装，就可以利用柴油发电机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。 这里只描述发电机组最基本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油发电机和发电机控制、保护器件和回路。
柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。
在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油 充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。
将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。
这里只描述发电机组最基本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油机和发电机控制、保护器件和回路。
柴油发电机的基本结构是由柴油机和发电机组成，柴油机作动力带动发电机发电。
先说柴油机的基本结构：它由气缸、活塞、气缸盖、进气门、排气门、活塞销、连杆、曲轴、轴承和飞轮等构件构成。柴油发电机的柴油机一般是单缸或多缸四行程的柴油机，下面我只说说单缸四行程柴油机的工作基本原理：柴油机起动是通过人力或其它动力转动柴油机曲轴使活塞在顶部密闭的气缸中作上下往复运动。活塞在运动中完成四个行程：进气行程、压缩行程、燃烧和作功（膨胀）行程及排气行程。当活塞由上向下运动时进气门打开，经空气滤清器过滤的新鲜空气进入气缸完成进气行程。活塞由下向上运动，进排气门都关闭，空气被压缩，温度和压力增高，完成压缩过程。活塞将要到达最顶点时，喷油器把经过滤的燃油以雾状喷入燃烧室中与高温高压的空气混合立即自行着火燃烧，形成的高压推动活塞向下作功，推动曲轴旋转，完成作功行程。作功行程完了后，活塞由下向上移动，排气门打开排气，完成排气行程。每个行程曲轴旋转半圈。经若干工作循环后，柴油机在飞轮的惯性下逐渐加速进入工作。
柴油机曲轴旋转便带动发电机转动发电，发电机有直流发电机和交流发电机。
直流发电机主要由发电机壳、磁极铁芯、磁场线圈、电枢和炭刷等组成。工作发电原理：当柴油机带动发电机电枢旋转时，由于发电机的磁极铁芯存在剩磁，所以电枢线圈便在磁场中切割磁力线，根据电磁感应原理，由磁感应产生电流并经炭刷输出电流。
交流发电机主要由磁性材料制造多个南北极交替排列的永磁铁（称为转子）和硅铸铁制造并绕有多组串联线圈的电枢线圈（称为定子）组成。工作发电原理：转子由柴油机带动轴向切割磁力线，定子中交替排列的磁极在线圈铁芯中形成交替的磁场，转子旋转一圈，磁通的方向和大小变换多次，由于磁场的变换作用，在线圈中将产生大小和方向都变化的感应电流并由定子线圈输送出电流。 为了保护用电设备，并维持其正常工作，发电机发出的电流还需要调节器进行调节控制等等。