变频器的应用与选择

□ 尹世耀

一、变频器控制原理

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。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。

各生产厂家生产的通用变频器，其主电路结构和控制电路并不完全相同，但基本的构造原理和主电路连接方式以及控制电路的基本功能都大同小异。通用变频器的内部电路主要分为四个部分:一是整流部分，把交流电压变为直流电压。二是逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的pwm波，或者正弦脉宽调制spwm波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形。三是中间直流环节，由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电机处于电动或发电制动状态，其功率因素总不会为1。因此在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。四是控制电路，是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号，这些信号是受外部指令决定的，有频率、频率上升下降速率、外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。控制的方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器面目已经采用微型计算机进行全数字控制。采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成工能，由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制难以完成的功能。

二、变频器的额定值和技术指标

(一)输入侧的额定值。中、小容量通用变频器输入侧的额定值主要指电压和相数。在我国，输入电压的额定值(指线电压)有3相380V、3相220V(主要是进口变频器)和单相220V(主要用于家用电容小容量变频器)三种。此外，输入侧电源电压的频率一般规定为工频50Hz或60Hz。

(二)输出侧的额定值。一是输出电压UN。由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。二是输出电流IN。指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。

(三)输出容量。以变频器输出的视在功率(KVA)表示，是指额定输出电流与电压的三相视在功率。

(四)瞬时过载能力。过载能力是以过电流与变频器的额定电流之比的百分数(%)表示的反复使用时必须等待变频器和电机降到100%负荷时的温度以下。

(五)变频器的防护等级。IP(INTERNATIONALPROTECTION)防护等级系统是由IEC(INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION)所起草。将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。这里所指的外物含工具，人的手指等均不可接触到电器内之带电部分，以免触电。IP防护等级由两个数字组成，第1个数字表示电器离尘、防止外物侵入的等级，即对外来固体物体的防护;第2个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高，也即对水的防护。

三、变频器的选择

通用变频器的选择，包括变频器类型的选择和容量的选择。选择变频器规格时应注意根据要求采用合适的选择方式和计算公式，根据工程实际情况确定具体调速方案，包括逆变器与电机的对应关系、整流器与逆变器的对应关系(是否采用成组驱动)、制动部分的结构方式及配置规模、采用哪种控制方式等等。在选用变频器时，用户通常都要查看该型号变频器的产品资料，每一个品牌的变频器都有多种规格型号供选择，一般通用变频器的技术数据分为型号及定货号、额定输入/输出参数、控制方式等，其中包括一些控制精度、控制参数、显示模式参数、保护特性参数及环境参数等五大类。

根据控制功能将通用变频器分为三种类型。普通功能型U/F控制变频器，具有转矩控制功能的高性能型U/F控制变频器和矢量控制高性能变频器。

变频器的选择要根据负载的要求进行。负载的分类，人们在实践中常将生产机械分为三种类型:恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。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，转矩按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。恒转矩类负载:例如挤压机、搅拌器、传送带、厂内运输电车、起重机的平移机构等。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，大体转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。风机、泵类负载，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型。

为了实现恒转矩的调速常采用加大电动机和变频器的容量的办法，以提高低速转矩，如果采用具有转矩控制功能的高功能型变频器以实现恒转矩负载的调速运行，转矩负载下的传动电动机，如果采用通用标准电动机，和工频电源比较，损耗将有所增加，低速耐冷却时效果变差，电机温升将增加。因此低速时应降低电机的负载力矩。电机高速运行时(60Hz以上)电动势平衡及轴承特性等改变，所以考虑低速下的强迫通风冷却。新设备投产，可以考虑专为变频调速设计的加强了绝缘等级并考虑了低速强迫通风的变频专用电动机。

轻载电动机时变频器的选择，电动机的实际负载比电动机的额定输出功率小时，多认为可选择与实际负载相称的变频器容量，但是对于通用变频器，即使实际负载小，使用比按电机额定功率选择的变频器容量小的变频器并不理想，这主要是由于以下原因:一是电机在空载时也流过额定电流的30%～50%的励磁电流。二是起动时流过的起动电流与电动机施加的电压、频率相对应，而与负载转矩无关，如果变频器容量小，此电流超过过流容量，则往往不能起动。三是电机容量大，则以变频器容量为基准的电机漏抗百分比变小，变频器输出电流的脉动增大，因而过流保护容量动作，往往不能运转。四是电机用通用变频器起动时，其起动转矩同用工频电源起动相比多数变小，根据负载的起动转矩特性，有时不能起动。另外，在低速运转区的转矩有比额定转矩减小的倾向，用选定的变频器和电机不能满足负载所要求的起动转矩和低速区转矩时，变频器和电机的容量还需要再加大。

四、结语

综上所述，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。在设计、安装、使用变频器时一定要遵从变频器使用说明书的指导并且结合自身设计系统容量的需求大小，才可以做到避免小马拉大车或变频器容量上的浪费。

［1］吴启红主编．变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书［M］．北京:机械工业出版社，2007

［2］韩安荣．通用变频器及其应用［M］．北京:机械工业出版社，2000，第2 版

［3］孟晓芳，李策，王钰等编．西门子系列变频器及其工程应用［M］．北京:机械工业出版社，2008

［4］王廷才主编．变频器原理及应用［M］．北京:机械工业出版社，2005