通用变频器原理与变频器选用

通用变频器原理与变频器选用 通用变频器原理与变频器选用 自由尘 发于 2008-12-2 10:24 一  通用变频器原理与变频器选用原则 1  引言     目前，变频器在我国的应用正高速上升，但不少人员在应用方面常遇到困惑，需要一本详细的指导性的专门文献。本文试图从应用角度系统地讲述常见技术性问题，以对变频器应用涉足不深的人员有所帮助。考虑到所面向的对象，文中没有高深的数学，但基本原理和丰富的多年实践经验积累，相信会对读者有所收益。 2  通用变频器基本原理 本资料所述通用变频器是指适用于工业通用电机和一般变频电机、并由一般电网供电(单相220V、三相380V 50Hz)、作调速控制的变频器。此类变频器由于工业领域的广泛使用已成为变频器的主流。调速的基本原理基于以下公式:    式(1)中: n1—同步转速(r/min); f1—定子供电电源频率**;       P—磁极对数。 一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系    式(2)中: n—异步电机转速(r/min); S—异步电机转差率。 由(2)式可知，调速的方法可改变f1、P、S其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f1，实现调速控制。 由电机理论，三相异步电机每相电势的有效值与下式有关。     式(3)中: E1—定子每相电势有效值(V); f1—定子供电电源频率**; N1—定子绕组有效匝数; Фm—定子磁通(Wb)。 由(3)式可分成两种情况分析: (1) 在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速。 变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通Фm不变，从(3)式可知，也就是要使E1/f1=常数。如忽略定子漏阻抗压降，可以认为供给电机的电压U1与频率f1按相同比例变化，即U1/f1=常数。     但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，因此要人为地提高定子电压，以作漏抗压降的补偿，维持E1/f1≈常数，此时变频器输出U1/f1关系如图1中的曲线2，而不再是曲线1。 图1    U/f关系 多数变频器在频率低于电机额定频率时, 输出的电压U1和频率f1类似图1中曲线2, 并且随着设置不同, 可改变补偿曲线的形状，使用者要根据实际电机运行情况调整。 (2) 在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速。 此时变频器的输出频率f1提高，但变频器的电源电压由电网电压决定，不能继续提高。根据公式(3)，E1不能变，f1提高必然使Фm下降，由于Фm与电流或转矩成正比，因此也就使转矩下降，转矩虽然下降了，但因转速升高了，所以它们两的乘积并未变，转矩与转速的乘积表征着功率。因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行。     异步电机变频调速恒转矩和恒功率区域状态的特性如图2所示。 图2    异步电机调速时的输出特性 由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速(VVVF)。 而在额定频率以上，电压并不变，只改变频率。     实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下，低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降，其采用的方式多种多样。有矢量控制技术，直接转矩控制技术以及拟超导技术(森兰变频特有专利技术)等等。其作用不外乎动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率，也就是利用电路和电脑技术，实时地而不是固定地改变图2中曲线1的形状达到低速时力矩提升，并且稳定运行，又不至于电流太大而造成故障。 图3    通用变频器基本电路 通用变频器的基本电路如图3所示，它由4个主要部分组成，分别是: 1—整流部分，把交流电压变为直流电压; 2—滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电; 3—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; 4—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。     特别要指出的，通用变频器对负载的输出波形都是双极性SPWM波，这种波形可以大幅度提高变频器的效率，但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波, 产生了变频器很多特殊之处，需要使用者予以重视。双极性SPWM波如图4所示, 其中图4(a)是三角形的载波与正弦形信号进行比较的情形，图4(b)是比较后获的SPWM波形。 图4    双极性SPWM调制器 3  森兰变频器基本系列介绍     森兰变频器基本系列、功率、特性简表如表1，详细请见各系列产品《使用手册》。 森兰变频器因各系列各有特点，因此使用前要根据用途合理选用。 (1) BT40系列有三相380V和单相220V电源供电，适合于通常工业控制调速场合，V/F=常数的控制方式，而且有转矩提升功能，由用户根据需要而调整，使用操作比较方便。 (2) BT12系列是专门给风机水泵类负载设计的变频器，使用该系列有利于风机水泵调速系统的设计和简化，产品带有PID、多泵切换、换泵、睡眠唤醒、消防控制、水位控制、定时开关机等功能。 (3) SB60系列是一种功能齐全的所谓“森兰全能王”系列，它能适应于要求较高的场合，产品中不仅有V/F开环和闭环模式，而且有无速度传感器矢量控制模式和PG速度传器矢量控制模式，还可以利用RS-485接口同上位机通讯。外壳采用塑料制作，美观大方，功率在11~15kW。 SB60系列安全性良好，防护等级比BT40和BT12高一个等级为IP20，并已取得欧共体CE认证。 (4) SB61系列功能同SB60系列相当，功率较大，从15~315kW，金属喷塑外壳，IP20防护等级。 (5) SB20系列是小功率经济型系列，功能比SB60有所简化, 适合一般小功率电机调速, 体积小巧, 经济实用。 (6) SB40系列是BT40的改进型。外型、外观、使用特性、防护等级、可靠性都有所提高，使用贴片元件改善电气性能，减少干扰，使用温控风机延长了风机寿命，并有旋钮调频机种可供选用。 (7) SB12系列是BT12的改进型。有同SB40相似的改进范围。 (8) SB80系列变频器采用了最新的32位嵌入式高速电机控制专用数字处理器，利用模型参考自适应方法解决了电机电阻参数在线辨识的难题，实现了普通变频器难以涉及的高性能无速度传感器基于瞬时转子磁场定向的真正矢量控制算法。SB80系列使用最新的模型自适应技术和励磁电流正弦注入检测技术，可以实现转速、定子电阻和转子电阻三个参数同时辨识，能准确辨识电机运行时的参数变化，结合本公司的专利技术“一种电流采样电阻”(专利号:01206891.8)，使定子电阻和转子电阻检测精度和观测准确性有了极大的提高，不但可以消除参数初值误差的影响，还可以自动适应电机温度变化导致的参数变化的影响，使磁通观测和速度辨识准确。上述先进技术的使用，首次实现了基于瞬时转子磁场定向和精确磁通观测的真正动态电流矢量控制，其参数辨识的稳定性和电流控制的快速性为停电再起动、旋转启动、快速加速减速、突变负载无跳闸控制提供了很好的解决手段。 4  变频器的选用原则 4.1 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。     个别电机额定电流值较特殊，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。 4.2 必须认清变频器调速与机械变速存在本质上的区别 绝对不能不假思索地将某电机使用机械变速改为相同功率的变频器变速。因为功率是转矩与转速的乘积:     机械变速时(例如齿转变速、皮带变速)、若变比为K，在电机功率不变时，忽略变速器效率，              即转速下降K倍，会造成转矩可升高K倍，它属于恒功率负载，这就如图5的曲线1所示。 图5    不同负载的机械特性 而变频器的转矩—转速曲线如图2曲线3所示，低于额定频率时，恒转矩运行，电机不能提高输出转矩。高于额定频率时，转速升高转矩下降。     图5表示常见的不同负载机械特性。图5中3为平方律负载(例如风机、水泵)、2为恒转矩负载(例如传送带)，这二种负载在电机低与额定频率运行时，负载力矩没有增加，所以当在额定频率以下时，可以按电机功率大小配置变频器功率。     图5中1是恒功率负载(例如切削机床)，低速时力矩增加;而变频器和电机低于额定频率时电流被限制，力矩不能增加，所以变频器调低电机转速有可能会造成电机带不动负载，选用时要根据减速造成力矩增加的比例，选用比原电机功率大的电机和变频器。例如原来1.5KW电机，负载转矩1kgm,转速1460r/min，机械变速后转速降到720r/min，转矩就可达2kgm，但原来的电机和变频器不可能输出2kgm的转矩。因此，要改变电机和变频器都是1.5×2=3kW，选用标准功率3.7或4kW的电机和变频器才行。 4.3 变频器的选用型号应根据使用要求而作细仔考虑 (1) 基本考虑是使用环境条件、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) 变频器使用不同场所对变频器的防护等级要作选择，为防止鼠害、异物等进入应作防护选择，常见IP10、IP20、IP30、IP40等级分别能防止Ф50、Ф12、Ф2.5、Ф1固体物进入。 (7) 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6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。 图6    不同调制频率与负载率降低的关系 (8) 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。 (9) 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。 (10) 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。使用中对多台电机不能同时制动。 (11) 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。 二  变频器的配套设备及安装技术   4  变频器的配套设备     4.1 附加配套设备的作用     附加配套设备的布置见图7。 图7    变频器附加配套设备的连接图     其中，T—配电变压器；     QF—断路器，用于安全跳闸断开电网；     KM—接触器，用于日常操作通断和电网掉电再来电时变频器不发生自启动；     FIL1—进线侧无线电干扰抑制电抗器，用于减少变频器对外界的无线电干扰；     1ACL—电源侧交流电抗器，用于改善输入电流波形、提高整流器和电解滤波电容寿命、减少不良输入电流波形对外界电网的干扰、协调同一电源网上有晶闸管等变换器造成的波形影响、减少功率切换和三相不平衡的影响，因此也叫电源协调电抗器，在要求高的场合该电抗器便进一步改为较复杂的电力质量滤波单元；     DCL—直流电抗器，用于改善电容滤波(当前电压型变频调速器主要滤波方式是电容滤波)造成的输入电流波形畸变和改善功率因数、减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热，当电源变压器和输电线(图中的符号DLC应改为DCL)综合内阻小时(变压器容量大于电机容量10倍以上时)、电网瞬变频繁时都需要使用直流电抗器。     BD—制动单元，当变频器降低频率使电机急剧减速、或重力负载使电机处于发电运行时，电机制动的反馈能量使变频器直流母线电压升高到一定程度就会开启该制动单元，使能量消耗在制动电阻上；     DBR—制动电阻，消耗制动时电机能量的电阻；     2ACL—输出侧交流电抗器，变频器输出是脉冲宽度调制的电压波(PWM波)它是前后沿很陡的一联串脉冲方波，存在丰富的谐波，这些谐波有害于电机和负载的寿命(典型的是电机绕阻匝间瞬变电压dv/dt过高，造成匝间击穿)，以及对周围电器干扰；当负载端电容分量大时，造成变频器的开关器件流过大的冲击电流，会损坏开关器件。使用输出侧交流电抗器可进行平滑滤波，减少瞬变电压dv/dt的影响，并求得以下的改善： 降低了电机的噪音； 降低了输出高次谐波造成的漏电流； 减少了干扰； 保护了变频器内部的功率开关器件。 延长了电机的绝缘寿命。     FIL2—输出侧无线电干扰抑制电抗器，对输出布线距离>20m时尤其需安装；     JR—热过载继电器，用于防止长时间过电流造成电机损坏。 4.2 附加配套设备的选用 (1) 断路器(QF)的后面可以接一台或多台变频器及其它负载，当变频器或其它负载因过电流故障时，可自动切断电源供电，防止事故扩大。当电网掉电时防止再来电自动接通的不安全，以及在维修时安全切断电源，断路器可以使用普通空气开关或高灵敏切断的断路器，视需要而定，选用时总通过电流应大于负载总电流1.5倍以上。 (2) 接触器(KM)用于所控变频器日常操作通断，和电网掉电再来电时防止变频器自动启动，选用时额定电流也要大于变频器输出电流1.5倍以上。 (3) 无线电干扰抑制电抗器(FIL1、FIL2)因为变频器输出的是PWM(脉宽调制)波，包含了大量的高次谐波，谐波高频分量处于射频范围，变频器通过电源线和输出线向外发射无线电干扰。又由于变频器接在电网上，电网上各种干扰和瞬变浪涌也可干扰到变频器的控制回路敏感部分发生误动作，因此设置了无线电干扰抑制电抗器。它是使用三根进线(对单相是两根进线)，同方向在铁心或铁氧磁芯上绕制的电感，因三相三根线的正弦交流电瞬时值之和为零(单相正弦交流电两进线电流瞬时值也为零)，因此对正常供电，该电抗器不起作用，而对于共模电压(即在进线上出现的、瞬时值不能被抵消的干扰电压)该电抗器起到阻挡作用，抑制了共模干扰，起到良好的抑制无线电干扰使用。抑制的频段一般在10MHz以下，因此电感量不必大，通常控制在2~33mH左右，是在一个闭合磁路上穿过或绕上几匝导线而制成。无线电干扰抑制电抗器的连接如图8，对小容量变频器因电流较小，它是在同一磁芯上，三相线同方向绕几匝。对大容量变频器，因电流大、导线不好弯，则用多个磁芯，让三根导线同时穿过磁芯中孔而构成电抗器。 图8      无线电干扰抑制电抗器的安置 (4) 电源侧交流电抗器(1ACL)     电压型通用变频器电网电压交流转变为直流经整流后都经电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大(见图9)，造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器容易损坏。当变压器容量大于变频器容量10倍以上，电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时，当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，三相电源不平衡度大于3%时，都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰，都需使用电源侧交流电抗器。 图9    电容滤波输入侧电压和电流波形       图9中：In1:电网阻抗小时; In2:电网阻抗大时。     一般而言，电压源逆变器、电源侧交流电抗器的电感量，采用3%阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总谐波电流畸变下降到原先的44%左右。实际使用中为了节省费用，常采用2%阻抗的电感量，但这对环保而言是不好的。比较好的场合应使用4%阻抗或更大的电抗器。一般常选用2~4%的压降阻抗，这个百分数是对相电压而言，即: 其中:ΔU—电压降落;     UP—相电压;     UN—线电压。 三相时，输入侧交流电抗器电感值： 其中:ILmax—电感流过的最大电流。     例如:对380V、90kW、50Hz、170A的变频器，需要配置输入侧交流电抗器的电感量为：     取：0.082～0.164mH，可以选择能长期能通170A电流，电感值在0.123mH左右的电抗器即可。 对于使用者，需考虑电感值和电流值两方面，电流值一定要大于等于额定值，电感值略有大小问题不大，偏大有利于减少谐波，但电压降落会超过3%，使用者还要考虑电源内部阻抗，电源变压器功率大于10倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用4～5%阻抗的电感量。 (5) 直流电抗器(DCL)     直流电抗器接在滤波电容前，它阻止进入电容的整流后冲击电流的幅值，并改善功率因数、降低母线交流脉动。直流电抗器在变频器功率大于22kW时建议都要采用，当变频器功率越大，越应该使用，因为没有直流电抗器时，变频器的电容滤波会造成电流波形严重畸变和进而使电网电压波形严重畸变，而且非常有害于变频器的整流桥和滤波电容寿命。 直流电抗器的电感值的选择一般为同样变频器输入侧交流电抗器3%阻抗电感量的2~3倍，最少要1.7倍， 即       例：对三相380V 90kW变频器所配直流电抗器计算(参见上例)： 取0.25mH,能长期通电170A即可(查使用手册为0.2mH)。 (6) 输出侧交流电抗器(2ACL)     变频器的输出是经PWM调制的电压波，由于电动机绕组的电感性质能使电流连续，因此电流基本上是正弦形的，脉冲宽度调制(PWM)有着陡峭的电压上升和下降的前后沿，即dv/dt很大，使得输出引线向外界发射含量极大的电磁干扰，并且在引出线对地、电机绕组匝间、绕组对地间都产生很大的脉冲电流，图10表示SPWM电压，电流的波形。 图10    调制波形     为了减轻变频器输出dv/dt对外界的干扰，降低输出波形畸变，达到环保标准，减少对电机绕组的电压冲击造成绝缘损坏，降低电机的温升和噪音，避免在变频器输出功率管上因dv/dt和流过过大的脉冲冲击电流使功率管损坏，以及降低负载短路造成对变频器的损伤，有必要在变频器输端增设交流电抗器。     值得指出的是脉冲电压通过长的输电线时，由于长线上波的反射叠加使得在长线(即变频器输出导线)超过临界长度后，电压有可能达到直流母线(变频器内直流母线)电压的2倍。因此变频器输出线长度受到了限制，为解除这种限制，必须接入输出侧交流电抗器。接入后，送到电机等负载上的波形就接近正弦电压波形了。     但实际使用中，只要负载是电感性的，电抗器可采用1%阻抗或更低一些都是可行的，这是因为，PWM调制频率远高于基波频率，已经相当于>(40-100)次谐波的范围，因此，输出侧交流电抗器电感量：         例如：380V、90kW、50Hz、170A变频器的输出侧交流电抗器的选用：     取:电感值在0.041mH左右,能长期能通170A电流的电抗器即可。     输出侧交流电抗器的电感接法有一定讲究，绕制在磁芯上的导线头尾的位置关系到电感向外发射干扰能量的大小程度。图11所示，绕组头1在里层，尾2在外层，因此1接变频的输出2接负载电机较好，这样，变频器输出端的强干扰被外层屏蔽，减少干扰向外发射。 图11    输出侧交流电抗器断面结构     输出侧交流电抗器其抑制频率在较高频率范围，因此，使用铁氧体磁芯，以减少损耗，但体积较大。在有变压器插入于变频器与负载之间的使用条件下，变压器输入绕组的漏抗和变压器损耗大大削弱了调制波，起到了输出侧电抗器的作用，因此有利于输出到负载电机的波形滤波平滑，此时往往有了输出侧变压器就可以省略输出侧交流电抗器。 (7) 制动单元和制动电阻(BD和DBR)     小功率制动单元一般在变频器内部，外部只接制动电阻。大功率的制动单元由外接的制动单元接到变频器母线上，当电机制动时，电机的电能反馈回母线，使母线电压升高，升高到一定值时，开通制动单元的开关管，用制动电阻消耗母线上一部分电能，维持母线电压不继续往上升高，使电机能量消耗在制动电阻上，从而获得制动力矩。制动单元的导线长度一般不大于5m，接到变频器的直流母线(P+、N端)要使用双绞线或密着平行线，其目的是减少电感，导线的截面应不小于电机输电线的1/2～1/4。     制动电阻的阻值不是随便选用的，它有一定范围。太大了，制动不迅速，太小了制动用开关元件很容易烧毁。     一般当负载惯量不太大时，认为电机制动时最大有70%能量消耗于制动电阻，30%的能量消耗于电机本身及负载的各种损耗上，此时 其中:P—电机功率(kW);     UC—制动时母线上的电压(V);     R—制动电阻（Ω）。     一般对三相380V时，UC≈700V; 单相220V时，UC≈390V;这样三相380V时制动电阻阻值:        单相220v时制动电阻阻值:        低频度制动的制动电阻的耗散功率一般为电机功率的(1/4～1/5)，在频繁制动时，耗散功率要加大。     有的小变频器内部装有制动电阻，但在高频度或重力负载制动时，内装制动电阻的散热量不足，容易烧毁，此时要改用大功率的外接制动电阻。各种制动电阻都应选用低电感结构的电阻器；连接线要短;并使用双绞线或密着平行线;采用如此低电感措施的原因是为了防止和减少电感能量加到制动管上，造成制动管损坏;制动电阻值不能过分小;如果回路的电感大、电阻又小，将对制动管不利，会造成损坏。     为了确保制动单元内功率管不被损坏，制动电阻不得小于(8)式的计算值，但太大了制动效果不好，所以要适当。 例如：(a)三相380V 30kW变频器的时制动电阻阻值为： 取20或24Ω功率7.5kW (b) 单相220V2.2kW变频器的时制动电阻阻值为： 取100Ω功率0.6kW (8) 热过载继电器(R)        热过载继电器用来防止电机过热，但这种保护并不可靠。对重要场合应实际检测电机温度，埋设温度检测元件到电机槽内或绕组附近。当变频器使用普通电机时，因PWM波导致电机铁耗、铜耗和绝缘介质损耗的增加，温升会比通常应用时加大，因此热过载继电器的温度整定值应按电机绝缘等级选择。 （9）电动机     如果低速时负载转矩比额定转矩大，则要加大电机功率和变频器功率才能应付低速运行。       如当电机长期在低速运行时，因普通电机的风扇在电机轴上，风扇已不能有效散热，电机会严重发热。因此，要加大电机功率或让电机使用外部风扇冷却。 一般电机在使用变频器时，因变频器PWM波有很高的脉冲前后沿，dv/dt很大，绕阻匝间和对地绝缘很易损坏，这已成为变频器使用中一个问题。因此，应选用绝缘质量优良的电机产品。     当高速运行时要注意电机在高速离心力下是否能承受，普通电机的转子离心机械强度是按额定转速设计的。对直径较大的电机，不要使用到额定转速的1.5倍以上，否则就有危险。这时就应选用专门的变频电机。 (10) 电源变压器     电源变压器总容量要比总负载大，当使用多个变频器或少量地使用交流电抗器和直流电抗器时，因变频器整流及电容性负载的影响，会造成电网波型的严重畸变和变压器过热。因此，变压器容量更要增大。 4.3 附加配套设备推荐表 附表  对三相380V(400V)通用变频器的附加配置设备通用变频器外围电器估算表（电源3相380V.50Hz适用） 5  变频器的安装技术和禁忌 5.1 安装环境 (1) 变频器属电子设备，由它的防护型式决定，必须安装在室内，无水浸入，并且空气中湿度较低; (2) 无易燃易爆气体和腐蚀性气体和液体飞溅，粉尘和纤维物少; (3) 变频器发热量远大于其他常见开关电器，必须要有良好的通风，让热空气顺利排出; (4) 变频器易受谐波干扰和干扰其他相邻电子设备，因此要考虑配置附加交流电抗器等外围设备和安装抗干扰电感滤波器; (5) 安装位置要便于检查和维修操作; (6) 长期运行的条件，对不同型号略有区别，一般: 环境温度:-10℃～(+40～50)℃; 相对温度:20～90%; 海拔:1000m以下，在1000m以上时越高越应降低     负载容量; 振动:0.6g。 (7) 如必须在水泥、面粉、饲料、纺织等粉尘和纤维多的环境使用变频器，一定要进行定期清洁:     清洁方法用刷子、吸尘器仔细打扫内部绩尘、疏通散热器通风路径的堵塞部位。 5.2 变频器的通风散热     变频器的效率一般97～98%，这就是说大约有2～3%的电能转变为热能，远远大于一般开关，交流接触器等电器产生的热量。一般的配电箱是针对常用开关、交流接触器等电器而设计的。当这一类箱体内装进了变频器，就需仔细配置内部的安排，以确保通风散热合理性。     图12是一些电控箱内安排变频器的必需注意的风路示意。其中:(a)壁挂式电控柜顶部装抽风机抽出热风;(b)控制台式电控柜上部装抽风机抽出热风;(c)大型立柜式电控柜顶部装大抽风机，地沟和柜体下部要有良好进风口;(d)大型立柜式电控柜装有控制单元和制动电阻的情况，顶部装大抽风机，地沟和柜体下部要有良好进风口。 图12    电控柜安装变频器的通风设计，(粗线为必要的挡风板，防止热风回流)     电控箱内布置变频器风路的原则有： (1) 电控柜要有强迫通风回路，通风回路的空气流向应通畅，符合流体平滑转向原则，安装在电控柜上的风机应比变频器本身风机总通风量大30~50%以上。 (2) 电控柜的风路一般都要有低风阻的进风口，在环境脏的场合进风口要有过滤网，过滤网的风阻要小，并防止堵塞，要求经常打扫。 (3) 电控柜箱内空气不应直通短路，也不应该发生热风回流，其路径要进行设计。要在电控柜箱内安装必要的导风板和挡风板，这是变频器二次开发商和使用者所必须重视的问题。 (4) 没有专门设计强迫通风风道的箱柜内，单台变频器安装要与周围电器、箱壁保持一定距离，特别是要留出上下空间使风道顺畅，使风可自由流动。根据功率大小不同，至少留有120～300mm空间，左右前方空间至少50mm。 (5) 当变频器的环境温度超过40℃时，对有通风盖的变频器要去掉通风盖，让风顺利进入变频器内。 (6) 图12中粗线所示为挡风板，挡住直通风和避免热风回流以改善箱内空气流向，提高冷却效果。12(c)图的上下变频器要设置导风板，防止下部变频器的热风进入上部变频器。 5.3 变频器的外部布线 (1) 主回路导线载面按照电动机布线要求，电流密度一般在3～4A/mm2以下。 (2) R、S、T和U、V、W的主回路导线在铁管内保护布线时，不得一根或两根导线敷设在一根铁管内，必须三相的三根线布在同一个铁管内，这是由于正弦波三相电流瞬时值之和为零，不会在铁管上造成磁通和引起损耗而发热。 (3) 变频器输出U、V、W三根线如敷没在铁管和蛇皮金属管内，因对铁管和蛇皮管电容的作用，会造成变频器内部功率开关器件的瞬时脉冲过电流，使功率开关损坏，一般在布线长度超过30m(有管)～50m(无管)时变频器的U、V、W端子处需插入交流电抗器。如果导线绝缘层较薄，布线长度还应更短。当一个变频器驱动多个电动机时，应按配线的总长度计算;当接入输出侧交流电抗器后，馈向电动机的总长度也不要超过400 m。 (4) 变频器的控制线必须远离输入输出强电导线，相距100mm以上，绝对不能为了布线美观把控制线和输入输出强电导线**在一起。 (5) 变频器的输入信号线要使用双绞线或屏蔽线，以有效地减弱外界电磁场造成的干扰，双绞线的绞合程度应在每cm为1绞以上。(图13)(图14) 图13    用双绞线作为变频器的信号输入线 图14      输入信号线与输出强电线的间距100mm以上 (6) 在远距离控制作开关操作时，用继电器担任中间操作可有效地减少外界对控制线引起的干扰。(图15） 图15    用继电器解决远距离信号受干扰 （7） 多数变频器的操作键和显示部分做在一起，成为一个操作盒。操作盒可取下做远距离控制操作。此时连接导线往往是电缆或排线，要求它们远离电力线和输入输出强电导线，必要时应穿入屏蔽管套内。外部电器控制线很长时也需要屏蔽，方法相同。 (8) 粗的主回路电线与变频器接线端子连接时必须可靠连接。线头用标准的与接线端子相配的冷压端子，使用冷压钳压接。只有这样，才能保证连接可靠，不因局部接触不良而发热造成事故。 (9) 调节频率等的电位器、开关之类元器件要求使用可靠产品，而且安装时注意屏蔽，免受外界干扰，否则会误认为变频器有问题。 (10) 所有连接线接好后要进行检查，防止漏接、错接、碰地、短路。 (11) 投入电源后，发现还要改接线时，首先要切除电源，并注意直流回路电容上的电完全放完(直流电压表测量小于25V)，才可操作。 (12) 不能将负载功率因数校正用电容接到变频器的输出端，因电容的接入会导致逆变功率器件流过大的瞬变脉冲电流而损坏。 (13) 直流电抗器的参数要与变频器相配。安装前应去掉变频器上原P1、P+上的短路铜件，在此处接入直流电抗器。 (14) 制动单元的母导线接到变频器的直流母线(P+、N端)，制动单元和制动电阻的接线都要尽量短，长度不大于5m，使用双绞线或密着平行线，导线的截面应不小于电机输电线的1/2～1/4。当制动电阻不接时，绝对不能将P+端和DB端短路！ (15) 变频器外壳应可靠接地。 5.4 变频器具备工频切换的重要性     变频器是电力电子设备，其可靠性不太高，一旦故障或要维修，不能因此而停产，应尽可能安装工频切换。不少连续化生产工艺上，用于风机水泵的变频器如有工频切换，当变频器不能工作时立即切换到工频供电，用以前的风门阀门调节风量流量，照样不耽误生产，仅仅减少节能而已。图16是变频器具备工频切换的电路简图。 图16    变频器外围设备与工频使用的切换简图 5.5 变频器的电源线一端要接交流接触器     接交流接触器用来确保安全和长期不工作时断电。该接触器不可作为变频器日常运行的启停，而应使用变频器的键盘或外控线作启停，如果一定要用交流接触器作启停，则操作间隔在1h以上。 5.6 电机转向要与变频器指示转向一致     变频器输出U、V、W接电机，当控制按键正转(FWD)时电机应正转，如果反转了就应交换U、V、W中任意两根线，不应错误地把反转(REV)键当作正转键来使用，以免日后发生事故。 5.7 变频器的基本连接图     各种变频器的基本连接图都有各自的特点。因此，要认真按产品所对应的使用说明书的接线图进行接线，千万不能使用不同型号的使用说明书作对照。典型的连接图参考电路如图17所示。 图17    通用变频器典型的连接参考电路 三  正确处理变频器与周边设备的关系和变频器安装后的调试 6  如何正确处理变频器与周边设备的关系 6.1 无线电干扰 6.1.1 变频器本身对外界的无线电干扰通过以下措施减轻: (1) 如图6-1所示,在变频器的输入、输出侧加装FIL1和FIL2无线电干扰抑制电抗器。这一类电抗器属于共模抑制电抗器，或称零序电抗器，它对被穿过磁芯的几根导线上出现的瞬时相位和幅值不能抵消的干扰有抑制作用，而对被穿过磁芯的几根导线瞬时相加电磁场可完全抵消的干扰就不能抑制，也即对三相正弦波电流不起作用。就无线干扰而言，共模干扰占大多数，所以共模抑制电抗器经常对无线电干扰抑制有效。 图6-1    为降低无线电干扰在输出和输入功率线上 加装FIL1和FIL2磁环形成电抗器对共模干扰进行抑制 (2) 变频器的输入、输出功率电线的布局要防止对周边设备的控制线有电磁场耦合，即要防止这些功率电线与某条控制线平行捆扎在一起或过分靠近，如图6-2所示。 图6-2    变频器的控制线与功率输出线及电源 进线过分靠近或**在一起的不良安装 (3) 数字式测量仪器仪表的输入阻抗高、频率响应好，很容易敏感变频器本体和输入输出线所发射出来的无线电干扰，造成数字式测量仪器仪表显示乱跳或完全不能测量。因此要求数字式测量仪器仪表远离变频器及变频器的输入输出线。如远离不可能，应对数字式仪器仪表的本体、测量线进行屏蔽。屏蔽线的外套金属网不能两端接地，只能一端接地，接地端设在数字式仪器仪表侧，由此形成静电屏蔽如图6-3所示，另外一种使用双绞线作为数字式仪器仪表的输入线，每绞间距不得大于1cm。干扰严重时可以综合采用多种措施:双绞线+屏蔽套、屏蔽箱、拉开距离、变频器输入输出线加磁环、加电抗器等。 图6-3    对数字式仪器或其他敏感仪器的抗干扰处理方法 6.1.2 外界干扰妨碍变频器正常运行时的对策 (1) 由电网引入的干扰和过电压 (a) 变压器原边电网因各类用电器切换、雷电等所引起的过电压及干扰会通过变压器分布电容和绕阻耦合传递到变压器付边、使付边电线上出现过电压及干扰。 (b) 与变频器同一付边电源线上有大功率的负载切换，特别是功率因数补偿柜之类的容性负载切换，会在电源线上引起过电压，这种过电压的大小与切换电流的大小、突变速率和电网导线电感值有关。例如:如图6-4所示的负载N经由断路器KM2突然断开时，因电网导线电感(La、Lb、Lc)的存在，会在接往变频器的导线上产生过电压或干扰 图6-4    过电压和干扰传输途径及为减弱过电压和干扰所附加的各种措施及元件 (c) 在变频器同一电源上接有强干扰负载或晶闸管器件，会造成电网电流严重畸变，引起在正弦波电压上叠加尖峰过电压和干扰。 (2) 由周边电器的无线电干扰引起变频器不能正常工作。变频器本身如果是全金属外壳就有良好的屏蔽辐射干扰的作用，如果是塑料外壳，变频器设计中又没有很好的抗干扰措施，此时就要另外采取措施; (3) 减轻外界干扰的对策: (a) 在变频器电源输入端加交流电抗器1ACL、无线电吸收电抗器FIL1。 (b) 过电压的减弱程度与变频器前端电源线长度、布局等有关。当电源线长时，由变压器来的过电压和干扰在电源线的电感上会衰减，此时由变频器内部的压敏电阻、电容吸收比较有效。但当变频器与配电用变压器靠近时，电源线阻抗太小，过电压发生时没有在电源线上得到衰减，因此强大的过电压到达变频器压敏电阻上，甚至会使压敏电阻爆炸。为此加入进线侧交流电抗器ACL1实有必要。 (d) 对于变频器外控端子上因外界干扰造成不能正常工作时可采用如下对策: l 使用继电器中继方式，使受干扰的线路完全隔离; l 如图6-5所示，在外控端上并电容，降低输入阻抗、使干扰衰减; l 在外控端子使用双绞线作控制(图6-5); l 对塑料外壳变频器考虑装在屏蔽箱内，但必需有良好通风冷却配合。 图6-5      减轻外控输入端上外来干扰的方法 6.2 变频器引起电网波形畸变，使部分设备工作不正常     通用变频器因都是采用整流桥→电容滤波→逆变方式、即交－直－交方式，整流和电容滤波的使用，会造成电网交流电压正弦波的顶端因电容吸收能量而变平，在电网内阻大的条件下，使电网电压波形畸变到足已使一部份电器工作不正常和发生保护动作。 例如:电梯、制冷机等，它们的电机都有对相位的要求，在设备中都使用了相序保护器，当电网波形畸变严重时，相序保护器因电压波形畸变而动作，使电机不能接通电源，因此，电梯和制冷机完全不能工作。 当线电压的波形顶端因变频器的整流和电容滤波使波形变成平顶波时，此时相电压波形恰变成尖顶波。一般整流式电压表都是测得峰值电压，再按正弦波比例折算成有效值而显示，波形的变坏使显示的“相电压有效值”偏高，“线电压有效值”偏低，这可以从图6-6的波形分析图上看出来。在这样的恶劣畸变下，不少用电器会因“电压过低”“电压过高”而报警，使现场某些设备不能工作。 图6-6    整流性电容滤波负载造成电网电压、电流波形的严重畸变 要解决这类因整流—电容滤波负载造成的电网波形畸变，有效方法是: (1) 在配电变压器(或发电机)后面的整流—电容滤波型变频器的总负载容量不要太大，一般小于配电变压器容量的1/10以下; （2) 变频器要配置直流电抗器和输入侧交流电抗器，而且选择电抗器的电感量大一些为好。直流电抗器电感量越大，电流连续性越好，对功率因数改善越有利。图6-7是不同电感量的直流电抗器在变频器中使用的功率因数趋向。图中THD是谐波总畸变，cosΦ是输入功率因数，使用大的直流电抗器可以大大降低谐波总畸变和提高功率因数。 图6-7    变频器在不同直流电抗器时的功率因数和总谐拨畸变 （3） 有条件的情况下要使用有PFC(功率因数校正)技术的三相和单相变换器作为变频器的输入或者采用经过移相变压器绕阻的12脉整流技术，以改善畸变，但这都涉及到变频器内部整流滤波级的改型设计。 7  变频器安装后的调试 7.1 通电前检查 （1） 察看变频器安装空间、通风情况、是否安全足够;铭牌是否同电机匹配;控制线是否布局合理，以避免干扰;进线与出线绝对不得接反，变频器的内部主回路负极端子N不得接到电网中线上(不少电工误认为N应接电网中线)，各控制线接线应正确无误。 （2） 当变频器与电机之间的导线长度超过约50m，当该导线布在铁管或蛇皮管内长度超过约30m，特别是一台变频器驱动多台电机等情况，存在变频器输出导线对地分布电容很大，应在变频器输出端子上先接交流电抗器，然后接到后面的导线上，最后是负载，以免过大的电容电流损坏逆变模块。在输出侧导线长的时候，还要将PWM的调制载频设置在低频率，以减少输出功率管的发热，以便降低损坏的概率。 （3) 确认变频器工作状态与工频工作状态的互相切换要有接触器的互锁，不能造成短路，并且两种使用状态时电机转向相同。 （4) 根据变频器容量等因素确认输入侧交流电抗器和滤波直流电抗器是否接入。一般对22kW以上要接直流电抗器，对45kW以上还要接交流电抗器。 （5) 电网供电不应有缺相，测定电网交流电压和电流值、控制电压值等是否在规定值，测量绝缘电阻应符合要求(注意因电源进线端压敏电阻的保护，用高电压兆欧计时要分辩是否压敏电阻已动作)。 7.2 通电和设定 (1) 通电     通电后首先观察显示器，并按产品使用手册变更显示内容，检查有否异常。听看风机运转否，有的变频器使用温控风机，一开机不一定转，等机内温度升高后风机才转。检查进线和出线电压，听电机运转声音是否正常，检查电机转向反了没有，反了首先要更换电机线校正。 (2) 设定     设定前先读懂产品使用手册，电机能脱离负载的先脱离负载。变频器在出厂时设定的功能不一定刚好符合实际使用要求，因此需进行符合现场所需功能的设定，一般设定内容有:频率、操作方法、最高频率、额定电压、加/减速时间、电子热过载继电器、转矩限制、电机极数等等。对矢量控制的变频器，要按手册设定或自动检测。并在检查设定完毕后进行验证和储存。 7.3 试运行 7.3.1 空载运行 将电机所带的负载脱离或减轻，作以下空载运行检查: (1) 检查电机转向; (2) 各频率点有否异常振动、共振、声音不正常，如有共振应设法使变频器频率设定点避开该点; (3) 按设定的程序从头到尾试一遍确认没有问题; (4) 模拟日常会发生的操作，将各种可能操作做一遍确认无误; (5) 听电机因调制频率产生的振动噪声是否在允许范围内，如不合适可更改调制频率，频率选高了振动噪音减小，但变频器温升增加，电机输出力矩有所下降，可能的话，调制频率低一些为好(见图3-2); (6) 测量输出电压和电流对称程度，对电机而言不得有10%以上不平衡。 7.3.2 负载试运行 (1) 按正常负载运行，用钳型电流表测各相输出电流是否在预定值之内(观察变频器自显示电流也可，两者略有差别)。 (2) 对有转速反馈的闭环系统要测量转速反馈是否有效。做一下人为断开和接入转速反馈，看一看对电机电压电流转速的影响程度。 (3) 检查电机旋转平稳性，加负载运行到稳定温升(一般3h以上)时，电机和变频器的温度有否太高，如有太高应调整，调整可从改变以下参数着手:负载、频率、V/f曲线、外部通风冷却、变频器调制频率等。 (4) 试验电动机的升降速时间有否过快过慢，不适合应重新设置。 (5) 试验各类保护显示的有效性，在允许范围内尽量多做一些非破坏性的各种保护的确认。 (6) 按现场工艺要求试运行一周，随时监控，并做好记录作为今后工况数据对照。 四  变频器的操作 8  变频器的操作 8.1 基本操作要领 8.1.1 频率给定     (1) 操作面板给定:使用面板键盘，由∧、∨键升降频率;或由面板电位器调节频率;     (2) 外部电信号给定:使用控制端子，在电压端子(VR1、VR2)给予0～±10V(也有的0～±5V);电流端子(IR1、IR2)给予4～20mA(也有的0~20mA);     (3) 编程给定:当使用控制端子X1、X2、……时，设定对应的各自频率;     (4) 上位机程序给定:由上位机通过RS－485接口与本变频器通讯给定频率。 8.1.2 基本频率给定线和任意频率给定线     (1) 基本频率给定线:它是基本信号变动范围所对应的基本频率范围，如图8-1中的①信号电压0～Umax(例如0～10V);对应着输出频率0～fmax; 图8-1    频率给定线和频率增益的含义     (2) 任意频率给定线:它需设定最低频率和最高频率，如图10-1中的②、③信号电压0～Umax(例如0～10V)令频率增益为G%=fxm/fmax;   当G＜100%时，fxm＜fmax     如曲线②对应着输出频率fBI～fxm1(fBI为最低频率，也称偏置频率，fxm1为最高频率，fxm1现低于fmax)   当G＞100%时fxm＞fmax       如曲线③对应着输出频率fBI～fxm2(fBI为最低频率，即为偏置频率。fxm2为最高频率，fxm2现高于fmax)任意给定线的设定要考虑上下限频率的要求(见下述(3)，切忌随意性。 (3) 上下限频率设定需知:     上下限频率含义如图8-2。 图8-2    上下限频率的含义     对转子直径大的电机，受转子耐受离心力的限制;对风机水泵平方率负载受高速过载过流的限制，一般不要选择上限频率大于额定频率。     对静态阻尼大的负载，对水泵扬程有要求的负载，一般不要选择下限频率为0或较小。须设置一个合适的下限频率fBI。 8.1.3  如何跟踪负载的变化     使用位置传感器(最简单的就是用电位器)与负载机械联动，得到的电压信号供给到变频器的VR1或VR2，就可。见第十一章应用实例。 8.1.4 当输入信号于输出频率不符合要求时的处理     当输入为`0V时，输出不是0转(0Hz)时，可调整偏置频率fBI解决。     当输入最大信号时，输出转速不合要求时，可调整频率增益G% 解决。G%↓时最大输入信号的频率↓;相反，G%↑时最大输入信号时的频率↑。 8.1.5 当启动和停止过程中电流偏大，甚至发生过流保护的处理     可延长升降速时间，但一般只要不过流，升降速时间尽量短以提高效率。对风机等没有要求升降速的负载，升降速时间长也无妨。目前很多变频器有过流(过压)限速功能的，会自己暂时不升速(或降速)。 8.1.6升降速曲线的选择     如图8-3所示，根据实际负载要求选择。 图8-3    不同负载配合的升降速度曲线     曲线① 线性升降曲线，适用于多数负载。     曲线② S形升降曲线，适用于电梯负载。     曲线③ 指数升降曲线，适用于风机负载。 8.1.7 启动设置     如图8-4所示，根据实际启动要求选择。 图8-4    不同启动要求的速度上升曲线     曲线① 要维持一段低速运转的启动场合       曲线② 要有一定冲击的启动场合 8.1.8 零速启动     对于大惯性负载，要求零速时启动，例如风机有可能启动的瞬间正在旋转，会有大的冲击启动电流，因此，先要直流制动，在启动程序设置时要注意。否则有可能损坏变频器。 8.1.9 多段升速和多段降速     在低温、粘性润滑油等负载下，为防止过流，应设置多段升速;在某些工艺有要求的场合也可能设置多段降速，按使用手册要求设置。    8.1.10 爬行的消除     消除爬行应使用直流制动。方法是再生制动到低速结束时启用直流制动，达到迅速停住。要根据负载惯性大小选择直流制动提供的直流电压幅值，根据需要制动的快慢选择低速结束处的频率该是多少。 应注意，直流制动与电磁铁抱住是性质不同的，电磁铁抱住具有大的静态制动力矩，因此对起重机等危险场合必须使用电磁铁抱住。 8.1.11 自由制动     当变频器停止输出(或断开)时，电机和负载自由旋转减速的状态称自由制动。     此时要注意不应在未真正停止时就启动，如要启动应直流制动停稳后再启动。这是由于启动瞬间电机频率(转速)与变频器频率差距太大，会使变频器和电机流过极大的冲击电流，引起损坏变频器的功率管。     对于水泵的停止，不要使用自由制动，因水泵惯性小，突然停止会发生水锤效应。 8.1.12 转矩的提升     变频器在低速时因定子漏抗和定转子电阻的影响，使转矩输出不足，又实际负载对变频器输出转距的要求不一，实际使用中往往需要作转矩的提升或补偿。     (1) 基本的U/f曲线:如前面第1节图1-2的曲线1、2，对该曲线的形状是可设定的。     (2) 直线型补偿U/f曲线:如图8-5，在恒转矩区间，供选用的U/f曲线中，有多条转矩提升曲线，有的变频器还有几条转矩减少曲线。 图8-5    常用的转矩提升和转矩减少曲线     (3) 折线型补偿U/f曲线:可按产品使用手册设定需要的形状。     (4) 自动转矩补偿曲线:多数的情况是为了提高启动转矩，使用变频器的自动转矩补偿功能较方便，当启动电流为额定电流的1.5倍时启动转矩约提高到2倍。需要指出的是:任何转矩的提升是以提高电流为代价，不应造成不恰当的过电流，每加大一挡要检查电流是否太大，更不能跳闸。 8.1.13 矢量控制 (1) 矢量控制的本质     交流异步电机只有三根线将电能送到电机去，这三根线上的电气参数只可能有如下4项:电压、频率、相位、波形。     矢量控制在很多书上讲的很复杂，不易搞懂，但要实现控制不外乎改变这4项。实际测定某矢量控制交流异步电机，对应不同负载率下不同设定频率的实际输出电压和频率是变化的,