□ 尹世耀

一、變頻器控制原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的通用變頻器，其主電路結(jié)構(gòu)和控制電路并不完全相同，但基本的構(gòu)造原理和主電路連接方式以及控制電路的基本功能都大同小異。通用變頻器的內(nèi)部電路主要分為四個部分:一是整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。二是逆變部分，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。三是中間直流環(huán)節(jié)，由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因素總不會為1。因此在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流的儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。四是控制電路，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)部各種各樣的保護和反饋信號的綜合控制等?？刂频姆椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器面目已經(jīng)采用微型計算機進行全數(shù)字控制。采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成工能，由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制難以完成的功能。

二、變頻器的額定值和技術(shù)指標

(一)輸入側(cè)的額定值。中、小容量通用變頻器輸入側(cè)的額定值主要指電壓和相數(shù)。在我國，輸入電壓的額定值(指線電壓)有3相380V、3相220V(主要是進口變頻器)和單相220V(主要用于家用電容小容量變頻器)三種。此外，輸入側(cè)電源電壓的頻率一般規(guī)定為工頻50Hz或60Hz。

(二)輸出側(cè)的額定值。一是輸出電壓UN。由于變頻器在變頻的同時也要變壓，所以輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。二是輸出電流IN。指允許長時間輸出的最大電流，是用戶在選擇變頻器時的主要依據(jù)。

(三)輸出容量。以變頻器輸出的視在功率(KVA)表示，是指額定輸出電流與電壓的三相視在功率。

(四)瞬時過載能力。過載能力是以過電流與變頻器的額定電流之比的百分數(shù)(%)表示的反復(fù)使用時必須等待變頻器和電機降到100%負荷時的溫度以下。

(五)變頻器的防護等級。IP(INTERNATIONALPROTECTION)防護等級系統(tǒng)是由IEC(INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION)所起草。將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級。這里所指的外物含工具，人的手指等均不可接觸到電器內(nèi)之帶電部分，以免觸電。IP防護等級由兩個數(shù)字組成，第1個數(shù)字表示電器離塵、防止外物侵入的等級，即對外來固體物體的防護;第2個數(shù)字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度，數(shù)字越大表示其防護等級越高，也即對水的防護。

三、變頻器的選擇

通用變頻器的選擇，包括變頻器類型的選擇和容量的選擇。選擇變頻器規(guī)格時應(yīng)注意根據(jù)要求采用合適的選擇方式和計算公式，根據(jù)工程實際情況確定具體調(diào)速方案，包括逆變器與電機的對應(yīng)關(guān)系、整流器與逆變器的對應(yīng)關(guān)系(是否采用成組驅(qū)動)、制動部分的結(jié)構(gòu)方式及配置規(guī)模、采用哪種控制方式等等。在選用變頻器時，用戶通常都要查看該型號變頻器的產(chǎn)品資料，每一個品牌的變頻器都有多種規(guī)格型號供選擇，一般通用變頻器的技術(shù)數(shù)據(jù)分為型號及定貨號、額定輸入/輸出參數(shù)、控制方式等，其中包括一些控制精度、控制參數(shù)、顯示模式參數(shù)、保護特性參數(shù)及環(huán)境參數(shù)等五大類。

根據(jù)控制功能將通用變頻器分為三種類型。普通功能型U/F控制變頻器，具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能型U/F控制變頻器和矢量控制高性能變頻器。

變頻器的選擇要根據(jù)負載的要求進行。負載的分類，人們在實踐中常將生產(chǎn)機械分為三種類型:恒轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載和風機、水泵負載。風機、泵類負載:在各種風機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動，空氣或液體在一定的速度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致與速度n的2次方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的2次方減小。這種負載所需的功率與速度的3次方成正比。恒轉(zhuǎn)矩類負載:例如擠壓機、攪拌器、傳送帶、廠內(nèi)運輸電車、起重機的平移機構(gòu)等。恒功率負載:機床主軸和軋機、造紙機塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等要求的轉(zhuǎn)矩，大體轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負載。風機、泵類負載，低速下負載轉(zhuǎn)矩較小，通常可以選擇普通功能型。

為了實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速常采用加大電動機和變頻器的容量的辦法，以提高低速轉(zhuǎn)矩，如果采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型變頻器以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速運行，轉(zhuǎn)矩負載下的傳動電動機，如果采用通用標準電動機，和工頻電源比較，損耗將有所增加，低速耐冷卻時效果變差，電機溫升將增加。因此低速時應(yīng)降低電機的負載力矩。電機高速運行時(60Hz以上)電動勢平衡及軸承特性等改變，所以考慮低速下的強迫通風冷卻。新設(shè)備投產(chǎn)，可以考慮專為變頻調(diào)速設(shè)計的加強了絕緣等級并考慮了低速強迫通風的變頻專用電動機。

輕載電動機時變頻器的選擇，電動機的實際負載比電動機的額定輸出功率小時，多認為可選擇與實際負載相稱的變頻器容量，但是對于通用變頻器，即使實際負載小，使用比按電機額定功率選擇的變頻器容量小的變頻器并不理想，這主要是由于以下原因:一是電機在空載時也流過額定電流的30%～50%的勵磁電流。二是起動時流過的起動電流與電動機施加的電壓、頻率相對應(yīng)，而與負載轉(zhuǎn)矩無關(guān)，如果變頻器容量小，此電流超過過流容量，則往往不能起動。三是電機容量大，則以變頻器容量為基準的電機漏抗百分比變小，變頻器輸出電流的脈動增大，因而過流保護容量動作，往往不能運轉(zhuǎn)。四是電機用通用變頻器起動時，其起動轉(zhuǎn)矩同用工頻電源起動相比多數(shù)變小，根據(jù)負載的起動轉(zhuǎn)矩特性，有時不能起動。另外，在低速運轉(zhuǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)矩有比額定轉(zhuǎn)矩減小的傾向，用選定的變頻器和電機不能滿足負載所要求的起動轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩時，變頻器和電機的容量還需要再加大。

四、結(jié)語

綜上所述，變頻器的正確選擇對于控制系統(tǒng)的正常運行是非常關(guān)鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負載特性。在設(shè)計、安裝、使用變頻器時一定要遵從變頻器使用說明書的指導(dǎo)并且結(jié)合自身設(shè)計系統(tǒng)容量的需求大小，才可以做到避免小馬拉大車或變頻器容量上的浪費。

［1］吳啟紅主編．變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)實操指導(dǎo)書［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2007

［2］韓安榮．通用變頻器及其應(yīng)用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2000，第2 版

［3］孟曉芳，李策，王鈺等編．西門子系列變頻器及其工程應(yīng)用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008

［4］王廷才主編．變頻器原理及應(yīng)用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005