一  通用變頻器原理與變頻器選用原則

 1  引言
    目前，變頻器在我國的應用正高速上升，但不少人員在應用方面常遇到困惑，需要一本詳細的指導性的專門文獻。本文試圖從應用角度系統(tǒng)地講述常見技術性問題，以對變頻器應用涉足不深的人員有所幫助?？紤]到所面向的對象，文中沒有高深的數(shù)學，但基本原理和豐富的多年實踐經(jīng)驗積累，相信會對讀者有所收益。

2  通用變頻器基本原理
本資料所述通用變頻器是指適用于工業(yè)通用電機和一般變頻電機、并由一般電網(wǎng)供電(單相220V、三相380V 50Hz)、作調(diào)速控制的變頻器。此類變頻器由于工業(yè)領域的廣泛使用已成為變頻器的主流。調(diào)速的基本原理基于以下公式:
 

式(1)中: n1—同步轉速(r/min);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
      P—磁極對數(shù)。
一般異步電機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系
 

式(2)中: n—異步電機轉速(r/min);
S—異步電機轉差率。
由(2)式可知，調(diào)速的方法可改變f1、P、S其中任意一種達到，對異步電機最好的方法是改變頻率f1，實現(xiàn)調(diào)速控制。
由電機理論，三相異步電機每相電勢的有效值與下式有關。
    

式(3)中: E1—定子每相電勢有效值(V);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
N1—定子繞組有效匝數(shù);
Фm—定子磁通(Wb)。
由(3)式可分成兩種情況分析:
(1) 在頻率低于供電的額定電源頻率時屬于恒轉矩調(diào)速。
變頻器設計時為維持電機輸出轉矩不變，必須維持每極氣隙磁通Фm不變，從(3)式可知，也就是要使E1/f1=常數(shù)。如忽略定子漏阻抗壓降，可以認為供給電機的電壓U1與頻率f1按相同比例變化，即U1/f1=常數(shù)。
    但是在頻率較低時，定子漏阻抗壓降已不能忽略，因此要人為地提高定子電壓，以作漏抗壓降的補償，維持E1/f1≈常數(shù)，此時變頻器輸出U1/f1關系如圖1中的曲線2，而不再是曲線1。

圖1    U/f關系

多數(shù)變頻器在頻率低于電機額定頻率時, 輸出的電壓U1和頻率f1類似圖1中曲線2, 并且隨著設置不同, 可改變補償曲線的形狀，使用者要根據(jù)實際電機運行情況調(diào)整。
(2) 在頻率高于定子供電的額定電源頻率時屬于恒功率調(diào)速。
此時變頻器的輸出頻率f1提高，但變頻器的電源電壓由電網(wǎng)電壓決定，不能繼續(xù)提高。根據(jù)公式(3)，E1不能變，f1提高必然使Фm下降，由于Фm與電流或轉矩成正比，因此也就使轉矩下降，轉矩雖然下降了，但因轉速升高了，所以它們兩的乘積并未變，轉矩與轉速的乘積表征著功率。因此這時候電機處在恒功率輸出的狀態(tài)下運行。
    異步電機變頻調(diào)速恒轉矩和恒功率區(qū)域狀態(tài)的特性如圖2所示。

圖2    異步電機調(diào)速時的輸出特性

由以上分析可知通用變頻器對異步電機調(diào)速時，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調(diào)速(VVVF)。
而在額定頻率以上，電壓并不變，只改變頻率。
    實際上多數(shù)變頻調(diào)速場合是用于額定頻率以下，低頻時采用的補償都是為了解決低頻轉矩的下降，其采用的方式多種多樣。有矢量控制技術，直接轉矩控制技術以及擬超導技術(森蘭變頻特有專利技術)等等。其作用不外乎動態(tài)地改變低頻時的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，也就是利用電路和電腦技術，實時地而不是固定地改變圖2中曲線1的形狀達到低速時力矩提升，并且穩(wěn)定運行，又不至于電流太大而造成故障。

圖3    通用變頻器基本電路

通用變頻器的基本電路如圖3所示，它由4個主要部分組成，分別是:
1—整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?
2—濾波部分，把脈動較大的交流電進行濾波變成比較平滑的直流電;
3—逆變部分，把直流電又轉換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關元件按照控制電路的驅動、輸出脈沖寬度被調(diào)制的PWM波，或者正弦脈寬調(diào)制SPWM波，當這種波形的電壓加到負載上時，由于負載電感作用，使電流連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形;
4—控制電路是用來產(chǎn)生輸出逆變橋所需要的各驅動信號，這些信號是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、外部通斷控制以及變頻器內(nèi)部各種各樣的保護和反饋信號的綜合控制等。
    特別要指出的，通用變頻器對負載的輸出波形都是雙極性SPWM波，這種波形可以大幅度提高變頻器的效率，但同時這種波形使變頻器的輸出區(qū)別于正常正弦波, 產(chǎn)生了變頻器很多特殊之處，需要使用者予以重視。雙極性SPWM波如圖4所示, 其中圖4(a)是三角形的載波與正弦形信號進行比較的情形，圖4(b)是比較后獲的SPWM波形。

圖4    雙極性SPWM調(diào)制器

3  森蘭變頻器基本系列介紹
    森蘭變頻器基本系列、功率、特性簡表如表1，詳細請見各系列產(chǎn)品《使用手冊》。

森蘭變頻器因各系列各有特點，因此使用前要根據(jù)用途合理選用。
(1) BT40系列有三相380V和單相220V電源供電，適合于通常工業(yè)控制調(diào)速場合，V/F=常數(shù)的控制方式，而且有轉矩提升功能，由用戶根據(jù)需要而調(diào)整，使用操作比較方便。

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(2) BT12系列是專門給風機水泵類負載設計的變頻器，使用該系列有利于風機水泵調(diào)速系統(tǒng)的設計和簡化，產(chǎn)品帶有PID、多泵切換、換泵、睡眠喚醒、消防控制、水位控制、定時開關機等功能。
(3) SB60系列是一種功能齊全的所謂“森蘭全能王”系列，它能適應于要求較高的場合，產(chǎn)品中不僅有V/F開環(huán)和閉環(huán)模式，而且有無速度傳感器矢量控制模式和PG速度傳器矢量控制模式，還可以利用RS-485接口同上位機通訊。外殼采用塑料制作，美觀大方，功率在11~15kW。
SB60系列安全性良好，防護等級比BT40和BT12高一個等級為IP20，并已取得歐共體CE認證。
(4) SB61系列功能同SB60系列相當，功率較大，從15~315kW，金屬噴塑外殼，IP20防護等級。
(5) SB20系列是小功率經(jīng)濟型系列，功能比SB60有所簡化, 適合一般小功率電機調(diào)速, 體積小巧, 經(jīng)濟實用。
(6) SB40系列是BT40的改進型。外型、外觀、使用特性、防護等級、可靠性都有所提高，使用貼片元件改善電氣性能，減少干擾，使用溫控風機延長了風機壽命，并有旋鈕調(diào)頻機種可供選用。
(7) SB12系列是BT12的改進型。有同SB40相似的改進范圍。
(8) SB80系列變頻器采用了最新的32位嵌入式高速電機控制專用數(shù)字處理器，利用模型參考自適應方法解決了電機電阻參數(shù)在線辨識的難題，實現(xiàn)了普通變頻器難以涉及的高性能無速度傳感器基于瞬時轉子磁場定向的真正矢量控制算法。SB80系列使用最新的模型自適應技術和勵磁電流正弦注入檢測技術，可以實現(xiàn)轉速、定子電阻和轉子電阻三個參數(shù)同時辨識，能準確辨識電機運行時的參數(shù)變化，結合本公司的專利技術“一種電流采樣電阻”(專利號:01206891.8)，使定子電阻和轉子電阻檢測精度和觀測準確性有了極大的提高，不但可以消除參數(shù)初值誤差的影響，還可以自動適應電機溫度變化導致的參數(shù)變化的影響，使磁通觀測和速度辨識準確。上述先進技術的使用，首次實現(xiàn)了基于瞬時轉子磁場定向和精確磁通觀測的真正動態(tài)電流矢量控制，其參數(shù)辨識的穩(wěn)定性和電流控制的快速性為停電再起動、旋轉啟動、快速加速減速、突變負載無跳閘控制提供了很好的解決手段。

4  變頻器的選用原則
4.1 變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅動異步電機的功率和電流
    由于變頻的過載能力沒有電機過載能力強，一旦電機有過載，損壞的首先是變頻器(如果變頻器的保護功能不完善的話);又如果設備上已選用的電機功率大于實際機械負載功率，但是有可能用戶會將把機械功率調(diào)節(jié)到達到電機輸出功率，此時，變頻器一定要可以勝任，也就是說變頻器的功率選用一定要等于或大于電機功率。
    個別電機額定電流值較特殊，不在常用標準規(guī)格附近，又有的電機額定電壓低，額定電流偏大，此時要求變頻器的額定電流必須等于或大于電機額定電流。

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4.2 必須認清變頻器調(diào)速與機械變速存在本質(zhì)上的區(qū)別
絕對不能不假思索地將某電機使用機械變速改為相同功率的變頻器變速。因為功率是轉矩與轉速的乘積:
     機械變速時(例如齒轉變速、皮帶變速)、若變比為K，在電機功率不變時，忽略變速器效率，
      

     即轉速下降K倍，會造成轉矩可升高K倍，它屬于恒功率負載，這就如圖5的曲線1所示。

圖5    不同負載的機械特性

而變頻器的轉矩—轉速曲線如圖2曲線3所示，低于額定頻率時，恒轉矩運行，電機不能提高輸出轉矩。高于額定頻率時，轉速升高轉矩下降。
    圖5表示常見的不同負載機械特性。圖5中3為平方律負載(例如風機、水泵)、2為恒轉矩負載(例如傳送帶)，這二種負載在電機低與額定頻率運行時，負載力矩沒有增加，所以當在額定頻率以下時，可以按電機功率大小配置變頻器功率。
    圖5中1是恒功率負載(例如切削機床)，低速時力矩增加;而變頻器和電機低于額定頻率時電流被限制，力矩不能增加，所以變頻器調(diào)低電機轉速有可能會造成電機帶不動負載，選用時要根據(jù)減速造成力矩增加的比例，選用比原電機功率大的電機和變頻器。例如原來1.5KW電機，負載轉矩1kgm,轉速1460r/min，機械變速后轉速降到720r/min，轉矩就可達2kgm，但原來的電機和變頻器不可能輸出2kgm的轉矩。因此，要改變電機和變頻器都是1.5×2=3kW，選用標準功率3.7或4kW的電機和變頻器才行。

4.3 變頻器的選用型號應根據(jù)使用要求而作細仔考慮

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(1) 基本考慮內(nèi)容是使用環(huán)境條件、電網(wǎng)電壓、負載大小及性質(zhì)。
(2) 環(huán)境溫度長期較高，安裝在通風冷卻不良的機柜內(nèi)時，會造成變頻器壽命縮短。電子器件、特別是電解電容等器件、在高于額定溫度后，每升高10℃壽命會下降一半，因此環(huán)境溫度應保持較低，除設置完善的通風冷卻系統(tǒng)以保證變頻器正常運行外，在選用上增大一個容量等級，以使額定運行時，溫升有所下降是完全必要的。
(3) 電網(wǎng)電壓處于不正常時，將有害于變頻器。電壓過高，如對380V的線電壓如上升到450V就會造成損壞，因此電網(wǎng)電壓超過使用手冊規(guī)定范圍的場合，要使用變壓器調(diào)整，以確保變頻器的安全。
(4) 高海拔地區(qū)因空氣密度降低，散熱器不能達到額定散熱器效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要時可加大容量等級，以免變頻器過熱。
(5) 使用于不同用途時，選擇變頻器的系列型號應作分析，對于一般用途變頻器采用V/F=常數(shù)控制方式已可滿足，對于負載變化范圍大，而且又要求較高運轉精度的場合，特別是低速時要求有穩(wěn)定的速度和負載能力時，則要選用矢量控制等方式的變頻器，對數(shù)控機床等精密傳動還要采用閉環(huán)控制和有速度傳感器的方式，相應的變頻器也要有這些配合的接口，選用時需要綜合考慮。
(6) 變頻器使用不同場所對變頻器的防護等級要作選擇，為防止鼠害、異物等進入應作防護選擇，常見IP10、IP20、IP30、IP40等級分別能防止Ф50、Ф12、Ф2.5、Ф1固體物進入。
(7) 當變頻器為降低電動機噪聲而將調(diào)制頻率重新設置得較高并超過出廠設置頻率時, 會造成變頻器損耗增大。
設置頻率越高，損耗越大，因此要適當減載，圖6表示不同調(diào)制頻率和負載率時的相應減載曲線，不同公司、不同系列會有差別，但趨勢是相似的。不少使用者由于不懂這一點，一味增加調(diào)制頻率，造成變頻器過熱而損壞，或者變頻器輸不出額定功率。

圖6     不同調(diào)制頻率與負載率降低的關系

(8) 矢量控制方式只能對應一臺變頻器驅動一臺電機，而且變頻器的額定電流應等于或大于電機額定電流，電機的實際使用電流不能比額定電流太小(不低于變頻器額定電流的1/8)。為了正確地使用矢量控制，在驅動前，變頻器對電機冷態(tài)參數(shù)還需進行輸入或自動識別。
(9) 一臺變頻器驅動多臺電機時，變頻器容量應比多臺電機容量之和大，并且只能選擇V/F控制模式，不能用矢量控制模式。
(10) 當多臺變頻器的逆變單元共用一個整流/回饋單元時，即采用公共直流母線方式，有利于多臺逆變器制動能量的儲存和利用，此時整流/回饋單元的容量要足夠大，并要有防止小功率變頻器整流橋過載損壞的措施。使用中對多臺電機不能同時制動。
(11) 對風機水泵類負載(即平方律負載)，如原來使用閥門、風門調(diào)節(jié)流量，當改用變頻器調(diào)速控制流量時，就會帶來大幅度節(jié)能。而摩擦類負載(恒轉矩負載)，使用變頻調(diào)速的節(jié)能效果基本上不能體現(xiàn)，對用機械變速擴大轉矩的場合，使用變頻器還可能帶不動負載，這在選用時必須充分注意！在這些場合使用變頻器，其目的是工作機械需要作速度調(diào)整。