引 言 目前，變頻器在我國的應(yīng)用正高速上升，但不少人員在應(yīng)用方面常遇到困惑，需要一本詳細(xì)的指導(dǎo)性的專門文獻(xiàn)。本文試圖從應(yīng)用角度系統(tǒng)地講述常見技術(shù)性問題，以對變頻器應(yīng)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(xué)，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。 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(jī)和一般變頻電機(jī)、并由一般電網(wǎng)供電（單相220v、三相380v50hz）、作調(diào)速控制的變頻器。此類變頻器由于工業(yè)領(lǐng)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(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)系 式（2）中:n—異步電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）; s—異步電機(jī)轉(zhuǎn)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(dá)到，對異步電機(jī)最好的方法是改變頻率f1，實現(xiàn)調(diào)速控制。由電機(jī)理論，三相異步電機(jī)每相電勢的有效值與下式有關(guān)。 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(zhuǎn)矩調(diào)速。變頻器設(shè)計時為維持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)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(rèn)為供給電機(jī)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(bǔ)償，維持e1/f1≈常數(shù)，此時變頻器輸出u1/f1關(guān)系如圖1中的曲線2，而不再是曲線1。 圖1u/f關(guān)系 多數(shù)變頻器在頻率低于電機(jī)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(shè)置不同,可改變補(bǔ)償曲線的形狀，使用者要根據(jù)實際電機(jī)運(yùn)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(zhuǎn)矩成正比，因此也就使轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)矩雖然下降了，但因轉(zhuǎn)速升高了，所以它們兩的乘積并未變，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積表征著功率。因此這時候電機(jī)處在恒功率輸出的狀態(tài)下運(yùn)行。 異步電機(jī)變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)域狀態(tài)的特性如圖2所示。 由以上分析可知通用變頻器對異步電機(jī)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(bǔ)償都是為了解決低頻轉(zhuǎn)矩的下降，其采用的方式多種多樣。有矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及擬超導(dǎo)技術(shù)（森蘭變頻特有專利技術(shù)）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(shù)，實時地而不是固定地改變圖2中曲線1的形狀達(dá)到低速時力矩提升，并且穩(wěn)定運(yùn)行，又不至于電流太大而造成故障。 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(jìn)行濾波變成比較平滑的直流電; 3—逆變部分，把直流電又轉(zhuǎn)換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關(guān)元件按照控制電路的驅(qū)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(dāng)這種波形的電壓加到負(fù)載上時，由于負(fù)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(qū)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(hù)和反饋信號的綜合控制等。 特別要指出的，通用變頻器對負(fù)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(jìn)行比較的情形，圖4（b）是比較后獲的spwm波形。 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(xì)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(zhuǎn)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。 （2）bt12系列是專門給風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載設(shè)計的變頻器，使用該系列有利于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)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(guān)機(jī)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(yīng)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(jī)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(hù)等級比bt40和bt12高一個等級為ip20，并已取得歐共體ce認(rèn)證。 （4）sb61系列功能同sb60系列相當(dāng)，功率較大，從15～315kw，金屬噴塑外殼，ip20防護(hù)等級。 （5）sb20系列是小功率經(jīng)濟(jì)型系列，功能比sb60有所簡化,適合一般小功率電機(jī)調(diào)速,體積小巧,經(jīng)濟(jì)實用。（6）sb40系列是bt40的改進(jìn)型。外型、外觀、使用特性、防護(hù)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(fēng)機(jī)延長了風(fēng)機(jī)壽命，并有旋鈕調(diào)頻機(jī)種可供選用。（7）sb12系列是bt12的改進(jìn)型。有同sb40相似的改進(jìn)范圍。（8）sb80系列變頻器采用了最新的32位嵌入式高速電機(jī)控制專用數(shù)字處理器，利用模型參考自適應(yīng)方法解決了電機(jī)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(zhuǎn)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(yīng)技術(shù)和勵磁電流正弦注入檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻三個參數(shù)同時辨識，能準(zhǔn)確辨識電機(jī)運(yùn)行時的參數(shù)變化，結(jié)合本公司的專利技術(shù)“一種電流采樣電阻”（專利號:01206891.8），使定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻檢測精度和觀測準(zhǔn)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(yīng)電機(jī)溫度變化導(dǎo)致的參數(shù)變化的影響，使磁通觀測和速度辨識準(zhǔn)確。上述先進(jìn)技術(shù)的使用，首次實現(xiàn)了基于瞬時轉(zhuǎn)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(zhuǎn)啟動、快速加速減速、突變負(fù)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(qū)動異步電機(jī)的功率和電流 由于變頻的過載能力沒有電機(jī)過載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)有過載，損壞的首先是變頻器（如果變頻器的保護(hù)功能不完善的話）;又如果設(shè)備上已選用的電機(jī)功率大于實際機(jī)械負(fù)載功率，但是有可能用戶會將把機(jī)械功率調(diào)節(jié)到達(dá)到電機(jī)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(jī)功率。 個別電機(jī)額定電流值較特殊，不在常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格附近，又有的電機(jī)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(jī)額定電流。 4.2必須認(rèn)清變頻器調(diào)速與機(jī)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(jī)使用機(jī)械變速改為相同功率的變頻器變速。因為功率是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積: 機(jī)械變速時（例如齒轉(zhuǎn)變速、皮帶變速）、若變比為k，在電機(jī)功率不變時，忽略變速器效率， 即轉(zhuǎn)速下降k倍，會造成轉(zhuǎn)矩可升高k倍，它屬于恒功率負(fù)載，這就如圖5的曲線1所示。 而變頻器的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線如圖2曲線3所示，低于額定頻率時，恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，電機(jī)不能提高輸出轉(zhuǎn)矩。高于額定頻率時，轉(zhuǎn)速升高轉(zhuǎn)矩下降。 圖5表示常見的不同負(fù)載機(jī)械特性。圖5中3為平方律負(fù)載（例如風(fēng)機(jī)、水泵）、2為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（例如傳送帶），這二種負(fù)載在電機(jī)低與額定頻率運(yùn)行時，負(fù)載力矩沒有增加，所以當(dāng)在額定頻率以下時，可以按電機(jī)功率大小配置變頻器功率。 圖5中1是恒功率負(fù)載（例如切削機(jī)床），低速時力矩增加;而變頻器和電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速有可能會造成電機(jī)帶不動負(fù)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(jī)功率大的電機(jī)和變頻器。例如原來1.5kw電機(jī)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩1kgm,轉(zhuǎn)速1460r/min，機(jī)械變速后轉(zhuǎn)速降到720r/min，轉(zhuǎn)矩就可達(dá)2kgm，但原來的電機(jī)和變頻器不可能輸出2kgm的轉(zhuǎn)矩。因此，要改變電機(jī)和變頻器都是1.5×2=3kw，選用標(biāo)準(zhǔn)功率3.7或4kw的電機(jī)和變頻器才行。 4.3變頻器的選用型號應(yīng)根據(jù)使用要求而作細(xì)仔考慮 （1）基本考慮內(nèi)容是使用環(huán)境條件、電網(wǎng)電壓、負(fù)載大小及性質(zhì)。 （2）環(huán)境溫度長期較高，安裝在通風(fēng)冷卻不良的機(jī)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(yīng)保持較低，除設(shè)置完善的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)以保證變頻器正常運(yùn)行外，在選用上增大一個容量等級，以使額定運(yùn)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(dá)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(yīng)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(fù)載變化范圍大，而且又要求較高運(yùn)轉(zhuǎn)精度的場合，特別是低速時要求有穩(wěn)定的速度和負(fù)載能力時，則要選用矢量控制等方式的變頻器，對數(shù)控機(jī)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(yīng)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(hù)等級要作選擇，為防止鼠害、異物等進(jìn)入應(yīng)作防護(hù)選擇，常見ip10、ip20、ip30、ip40等級分別能防止ф50、ф12、ф2.5、ф1固體物進(jìn)入。 （7）當(dāng)變頻器為降低電動機(jī)噪聲而將調(diào)制頻率重新設(shè)置得較高并超過出廠設(shè)置頻率時,會造成變頻器損耗增大。設(shè)置頻率越高，損耗越大，因此要適當(dāng)減載，表示不同調(diào)制頻率和負(fù)載率時的相應(yīng)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。 （8）矢量控制方式只能對應(yīng)一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)，而且變頻器的額定電流應(yīng)等于或大于電機(jī)額定電流，電機(jī)的實際使用電流不能比額定電流太?。ú坏陀谧冾l器額定電流的1/8）。為了正確地使用矢量控制，在驅(qū)動前，變頻器對電機(jī)冷態(tài)參數(shù)還需進(jìn)行輸入或自動識別。 （9）一臺變頻器驅(qū)動多臺電機(jī)時，變頻器容量應(yīng)比多臺電機(jī)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(dāng)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(jī)不能同時制動。 （11）對風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載（即平方律負(fù)載），如原來使用閥門、風(fēng)門調(diào)節(jié)流量，當(dāng)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(fù)載（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(jī)械變速擴(kuò)大轉(zhuǎn)矩的場合，使用變頻器還可能帶不動負(fù)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(jī)械需要作速度調(diào)整。