变频器的选用方案

一、前  言：

 变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。在电力、纺织与化纤、建材、石油、化工、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程（中央空调、供水、水处理、电梯等）中，变频器都在发挥着重要作用。除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。目前，中国是世界上最主要的家电供应国，但家电采用变频器的比例很低，而在日本，90％以上的家电是变频控制。据调查，2003年，中国的变频家电同比增长超过200％，但体现在市场中的变频家电并不多见，因此，变频家电具有非常好的发展潜力。因此，选用何种类型的变频器更能发挥其最好的作用，成了重要的问题。

二、变频技术及变频器的简介

2.1变频技术简介

变频调速：即用三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行变频调速

简单的说,变频技术就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电等技术的总称。总之，这一切都是电能不发生变化，而只有频率发生变化。

2.2 变频器简介

    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。通用变频器的内部结构框图如下：

变频器的原理:

    我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成，如图（1—1）。          （图1—1）

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

三、       变频器的分类

3.1 按变换环节分类：

a. 交-交变频器   把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下。主要用于容量大、低功耗的场合。

b. 交-直-交变频器   先把频率固定的交流电变成直流电，再把直流电逆变成频率可调的三相交流电。在此类装置中，用不可控整流电路，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波减小。

3.2  按直流电源性质分类：

a. 电流型变频器  特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，  即 扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。

b. 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。

3.3  按电压的调制方式分：

a. PAM脉幅调制   变频器输出电压的大小通过盖面直流电压的大小来进行调制，在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。

b. PWM脉宽调制   变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制SPWM方式。　此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。

3.4  按工作原理分类：

a. v/f控制的变频器   v/f控制的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制。通过使v/f（电压和频率的比）的值保持一致而得到所需的转矩特性。采用v/f控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于对精度要求不高的通用变频器。

b. 转差频率控制变频器   转差频率控制方式是对v/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩的电流，与v/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。

c. 矢量控制变频器   矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式。它的基本思路是：将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。

d. 直接转矩控制变频器   直接转矩控制是交流传动中革命性的电动机控制方式，不需要再电动机的转轴上安装脉冲编码器来反馈转子的位置，而具有精确转矩和转速，能在零速时产生满载转矩，电路中的PWM调制器不需要分开的电压控制和频率控制，具有这种功能的变频器称为直接转矩控制变频器。

四、        变频器的选用

    因电力拖动系统的稳态工作情况取决于电动机和负载的机械特性，不同负载的机械特性和性能要求是不同的。故在选择变频器时，首先要了解负载的机械特性。

4.1  根据机械负载特性选用变频器

    变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型，即：恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。

 a. ­恒转矩负载：

负载转矩TL与转速ｎ无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。

变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。

带式输送机是恒转矩负载的典型例子之一，其基本结构和工作情况如图3-1（a）所示。如图，负载的阻力来之于皮带与滚筒间的摩擦力，作用半径就是滚筒的半径。故负载阻转矩的大小决定于:TL＝F×r

式中，F ─皮带与滚筒间的磨擦阻力;

r ─滚筒的半径。

由于F和r的大小都和转速的快慢无关，所以在调节转速nL的过程中，负载的阻转矩TL保持不变，即具有恒转矩的特点:TL＝const

其机械特性曲线如图3-1（b）所示。

必须注意:这里所说的转矩大小的是否变化，是相对于转速变化而言的，不能和负载轻重变化时，转矩大小的变化相混淆。或者说，“恒转矩”负载的特点是:负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关。拿带式输送机来说，当传输带上的物品较多时，不论转速有多大，负载转矩都较大;而当传输带上的物品较少时，也不论转速有多大，负载转矩都较小。

（2）功率特点

在负载转矩TL不变的情况下，负载功率PL的特点是:

PL＝ ∝nL 即:负载功率与转速成正比，其有效功率线如图3-1（c）所示。

b. 恒功率负载：

机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大容许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大容许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。

各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一，如图3-2（a）所示。其工作特点是:为了保证在卷绕过程中，被卷物的物理性能不发生变化，随着“薄膜卷”的卷径不断增大，卷取辊的转速应逐渐减小，以保持薄膜的线速度恒定，从而也保持了张力的恒定。

因为要保持线速度和张力恒定:

F＝const     v＝const

式中，F—被卷薄膜的张力，N;

v—被卷薄膜的线速度，m/min。

所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定:

PL＝Fv＝const;

即，负载功率的大小与转速的高低无关，其功率特性曲线如图3-2（c）所示。

（2）转矩特点

如图3-2（a），负载阻转矩的大小决定于:   TL=F×r

式中，r—卷取物的卷取半径。随着卷取物不断地卷绕到卷取辊上，r将越来越大。

由于PL不变，故有:    TL＝ ∝      即，负载阻转矩的大小与转速成反比，如图3-2（b）所示。

c. 二次方率负载(风机、泵类负载)：

在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度ｎ的2次方成正比。随着转速的减小，转速按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的3次方成正比，所以通常不应使风机、泵类等负载超工频运行。

二次方律负载的典型实例是离心式风机和水泵，如图3-3（a）所示。

（1）转矩特点

负载的阻转矩TL与转速nL的二次方成正比:   TL＝ＫT×nL²       其机械特性曲线如图3-3（b）所示。

（2） 功率特点

负载的功率PL与转速nL的三次方成正比:    PL＝ ＝KP×nL³

以上两式中，KT和KP分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数。

功率特性曲线如图3-3（c）所示。事实上，即使在空载的情况下，电动机的输出轴上，也会有损耗转矩T0和损耗功率P0，如磨擦转矩及其功率等。因此，严格地讲，其转矩表达式应为:   TL＝T0＋KT×nL²

功率表达式为:    PL＝P0＋KP×nL³

4.2通用变频器及专用变频器常见型号和主要特点。（如下表）

表  变频器的类别与应用

五、 选用变频器的考虑因素

5.1 变频器的输出功率和电流选择

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。

    个别电机的额定电流值比较特殊，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。

5.2 变频器的选用应根据使用要求做细仔考虑。

（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要求的场合，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）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，图3-2 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，一味增加调制频率，造成变频器过热而损坏，或者变频器输不出额定功率。

（7）矢量控制方式只能对应一台变频器驱动一台电机，而且变频器的额定电流应等于或大于电机额定电流，电机的实际使用电流不能比额定电流太小（不低于变频器额定电流的1/8）。为了正确地使用矢量控制，在驱动前，变频器对电机冷态参数还需进行输入或自动识别。

（8）一台变频器驱动多台电机时，变频器容量应比多台电机容量之和大，并且只能选择V/F 控制模式，不能用矢量控制模式。如下图所示  一台变频器带多台电动机

（9） 当多台变频器的逆变单元共用一个整流 / 回馈单元时，即采用公共直流母线方式，有利于多台逆变器制动能量的储存和利用，此时整流 / 回馈单元的容量要足够大，并要有防止小功率变频器整流桥过载损坏的措施。使用中对多台电机不能同时制动。

（10）对风机水泵类负载（即平方律负载），如原来使用阀门、风门调节流量，当改用变频器调速控制流量时，就会带来大幅度节能。而摩擦类负载（恒转矩负载），使用变频调速的节能效果基本上不能体现，对用机械变速扩大转矩的场合，使用变频器还可能带不动负载，这在选用时必须充分注意！在这些场合使用变频器，其目的是工作机械需要作速度调整。

5.3 选用变频器时的注意事项

以西门子公司为例可以提供不同类型的变频器，用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择变频器时因注意以下几点注意事项：

1. 变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。

2. 对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。

3. 使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，高次谐波亦增加输出电流值。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。

4. 变频器用于变极电动机时，应充分注意选择变频器的容量，使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行极数转换时，应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时会造成变频器损坏。

5. 驱动防爆电动机时，变频器没有防爆构造，应将变频器设置在危险场所之外。

6. 使用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在超过额定转速以上的高速范围内，有可能发生润滑油用光的危险。因此，不要超过最高转速容许值。

7. 对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。因此，应了解工频运行情况，选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。变频器驱动潜水泵电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大，所以选择变频器时，其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。

8. 当变频器控制罗茨风机时，由于其起动电流很大，所以选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。

9. 选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。

10. 单相电动机不适用变频器驱动。

六、       结    论

变频器是当今社会不可或缺的电子产品，本人首先对变频器及变频技术作了初步了解,阐述了变频器的一些分类方法,选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。 根据人们在实践中的经验,将生产机械分为三种类型，即恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。通过对它们机械特性的分析来正确的选用变频器.本文还根据前辈的经验根据使用要求做了的仔细考虑,并以西门子公司为例提出了几点在选择变频器时因注意的事项。从多方面多角度介绍了变频器的选用，了解在选用变频器时的一些经验！总之，变频器的选用关系到设备运行的好坏，选用合适的变频器一发挥其最好的作用。

参考文献

    1.李良仁  变频调速技术与应用．北京：电子工业出版社．2004

    2.韩安荣  通用变频器及其应用. 北京: 机械工业出版社. 2000 

致   谢