浅谈变频器控制原理及应用

李传锋 马志强

上海安悦节能技术有限公司

0 引言

变频调速技术，顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。变频调速技术改变了普通电动机以定速方式运行的模式，使电动机及其拖动荷载在无须任何改动的情况下即可按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电动机功耗达到系统高效运行的目的。目前变频调速技术已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等行业的电机传动设备中得到实际应用。变频调速技术已成为现代电力传动技术的一个主要发展方向，该技术卓越的调速性能、显著的节电效果，改善了现有设备的运行工况，提高了系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分体现。如何选择性能好的变频器应用于工业控制是电气行业技术人员共同追求的梦想。

异步电机是典型的常规交流电动机。自现代交流变频调速技术发明以来，异步电动机驱动技术得到广泛的应用和发展。在进一步研究中，主要针对变频器拓扑机构及控制原理的研究开发，而在异步电动机设计和分析方面却没有明显的改变。因此，电气专业人重新考虑异步电动机在变频调速中的设计问题势在必行。

1 变频器的工作原理

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感，它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路。

1.1 整流器

大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

1.2 平波回路

经整流器整流后的直流电压含有电源6倍频率的脉动电压，此外，逆变器产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。当装置容量相对小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可省去电感而采用简单的平波回路。

1.3 逆变器

同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断即可得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它由频率、电压的“运算电路”、主电路的“电压、电流检测电路”、电动机的“速度检测电路”、将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”、以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

1)运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器输出电压、频率。

2)电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

3)驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

4)速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，防止逆变器和异步电动机损坏。

2 变频器对异步电机的变频调速

2.1 异步电机

异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按转子结构分为两种形式:有鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机。三相异步电动机是由三相交流电作为电源，转子转速稍低于电磁转速的电机，将这类电机的三根电源线任意两根对调就能改变它的旋转方向，三相水泵反接会造成出水量小，扬程低。三相星型接法为将电动机三组线圈的头或者尾接成一个点（每组线圈有两个点，即首和尾，所以一般电动机都有六个接线柱）然后将另外三个点接上电源，这种接法为星型接法，日常见到的电动机上，是把上面一排三个接线柱连接在一起，下面三个接线柱接电源，这种接法是星型接法。三角型接法是让电机定子的三组绕组首尾连接，日常见到的电机是将六个接线柱上下两两接在一起，在下面三个接线柱上接入电源，这就是三角型连接。三角型和星型接法的不同在于改变绕组两端的电压，即改变它的功率，一个三角型接法的电机接成星型功率就没有原来的大了，但是一个设计时就工作在星型接法的电动机是不能接成三角型连接否则电机会发热烧毁。

2.2 变频器供电下的电机运行条件

在变频器供电方式下，异步电机的运行条件有较大的变化，常规异步电机设计和分析方法已不能与之相适应。

常规异步电机的基本设计要点：

（1）满足所需要的启动特性;

（2）具有良好的稳定运行状况;

（3）制造简便。

为满足启动要求，通常将转子槽设计成深槽或双鼠笼槽，利用其集肤效应增加启动时的转子电阻，从而提高启动转矩。但是，这既降低了电机稳定正常运行时的特性(如降低了效率和功率因素)，又增加了制造加工的难度。对于变频器供电下的异步电机，由于可方便地调频调压，使其机械特性曲线可以有条件的平移。当频率下降时，曲线左移;当频率上升时，曲线右移，由此给电机运行带来新的变化，主要体现在以下几方面:

（1）电源频率变小，电机机械特性可随之左移。由此可通过调频直接利用其最大转矩作为启动转矩，在提高稳定运行性能的目标基础上对转子槽型进行优化设计。

（2）变频器适当地变频变压，可将异步电机调节在最佳运行点上，即得到最小滑差、最大效率和高功率因素。在保证出力不变的情况下，可用最大效率和高功率因素代替额定效率和额定功率因素，以减小电机尺寸，减轻其重量和降低成本。

2.3 设计要点

2.3.1 散热问题

变频器发热是由内部的损耗产生。在变频器各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热。通常采用风扇散热，变频器的内部风扇可将变频器的箱体内热量带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行。大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道需设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积。根据变频器说明书的通风量来选择匹配的风扇，风扇安装要注意防震。

2.3.2 电磁干扰问题

1）变频器在工作中由于整流和变频，在其周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，并产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。当变频器的功率占整个系统25%以上时，需要考虑控制电源的抗干扰措施。

2）当系统中有高频冲击负载，如电焊机和电镀电源时，变频器本身会因为干扰而出现保护，则需考虑整个系统的电源质量问题。

2.3.3 防护问题

1）防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上方不能有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流，现场柜体防护等级在IP43以上。

2）防尘：所有进风口要设置防尘网以阻隔絮状杂物进入，防尘网应设计为可拆卸式，以便清理和维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定，防尘网四周与控制柜的结合处需处理严密。

3）防腐蚀性气体：在化工行业此情况相对较常见，此时可以将变频柜放在控制室中。

2.3.4变频器接线规范

信号线与动力线必须分开布线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其他设备的干扰，将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开布线，相隔距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样应保持此接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线长不能超过50m。

信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部。连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰，同时由于变频器无内置的电抗器，变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此，放置信号线的金属管或金属软管需要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线互不干扰。

模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5mm～7mm），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。

为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。

2.3.5 变频器的运行和相关参数的设置

变频器需设定的参数较多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。

控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取的控制方式，一般需要根据控制精度，进行静态或动态辨识。

最低运行频率：电机在低转速下运行时，其散热性能较差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且当电机在低速时，其电缆中的电流也会增大，将会导致电缆发热。

最高运行频率：通常的变频器最大频率为60Hz，但有的变频器最大频率可达到400 Hz。高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行。因此最高运行频率取决于电机的转子是否能承受相应的离心力。

载波频率：载波频率设置得越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热和变频器发热等因素密切相关。

电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速和最大频率，这些参数可从电机铭牌中直接获得。

跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，尤其在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。

3 变频器技术的发展

3.1 现状

与发达国家相比，我国的变频器技术相对较落后。20世纪80年代初，大连电机厂引进日本东芝的变频技术。日本三垦公司、富士电机公司的变频器进入中国，使我国的电机调速技术打破了直流调速的局面，开始了交流电机变频调速时代。1996年，国家原机械部等四部委推荐国产29个厂33个规格的变频器。但由于大部分本土企业受技术、资金和体制等方面制约，发展较慢，难以形成与国外品牌抗争的局面。

随着变频器产品在发达国家的广泛应用，20世纪80年代后期，以日本品牌为代表的外资品牌开始进入中国大陆，成为中国变频器行业的开端。经过20多年的推广和使用，变频器已得到广大企业用户的认可，外资品牌从三肯、富士两个品牌发展到目前的40余个品牌，同时也涌现了近百个内资品牌，品牌总数达到140多个。从整体看，虽然国产品牌的数量众多，但绝大多数品牌的产销规模较小，综合竞争力较弱。21世纪以来，我国的变频器行业有了较大的变化。众多外资品牌在中国建厂，实施本地化经营。原有内资品牌的人员和资金不断分离，成立了众多企业，主要集中在沿海地区的广东、浙江、山东、上海等地区。在国家宏观政策的支持和鼓励下，近几年内资品牌中出现了少数有行业优势的企业，其生产规模和产品综合性能已有较大提高。虽然尚未具备与西门子、ABB等国际品牌展开全面竞争的实力，但与日本、台湾、韩国等地品牌相比已在部分细分产品和市场上显示出一定的竞争优势，市场份额逐步扩大，使国内变频器市场的竞争格局有了较明显的改观。

3.2 国内变频器技术的现状和发展前景

变频运行，使其耗电量实现随负荷大小而变化，则可节约大量能源。

变频运行的方式很多，其中变频调速优于以往交流调速方式，目前变频调速效益最高、性能最好、应用最广。在国外尤其是在日美德英等工业发达国家获得了广泛的应用，是自动化电力的发展方向,变频调速已达到了交流电机的调速要求。但在许多条件下，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此，定子器是利用变频调速技术开发的典型产品，兼有调频调压两种功能。

由于采用了微处理器编程的正弦波调制,电流输出波形近似于正弦波，故可用于驱动普通型交流异步电机或变频专用电机实现无级调速。

在众多调速技术中，变频器之所以受人瞩目，是因为它能根据负载的变化使电机实现自动平滑的增速或减速，调速特性基本保持了异步电机固有转差率小的特点，且能无级调速，是异步电机最理想的调速方法，尤其适用于水泵和风机与传统的门档板调节相比，节电率较高。从单机传动到多机协调联动，从纺织印染到交通运输，从饲料和食品加工到钢铁冶练等使用电机的场合，由于变频器的使用，把调速效率和精度提高到前所未有的水平。变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的。由于异步电机的同步转速与输入电源应用于精密加工设备自动生产线机器人等高新领域，静止可控交流、直流调速成为调速系统中的主力军。但由于直流电机造价高，需时常清理，维修不便，工矿交流电需变成直流供电等原因，促进了交流调速技术得以广泛应用。变频器特别适用于流量要求不稳定，变化范围较大需经常调节的场合，由于其改造技术简便，运行及维修费少，故经济效益可观。

随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺趋势的加剧，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金和食品等各个行业及风机水泵等设备的节能场合，取得了明显的经济效益和社会效益。除日本之外，美英德法意等工业发达国家目前也都己形成了较完整的变频器技术产业体系。这些高精度、多功能、智能化的产品进一步扩大了变频器的应用领域。

国外变频器产业的兴起和发展也引起了中国有关部门的关注。国家能源部原电子部对这项高节电、高效率能大幅度改善工艺性能的新技术极为重视。

1987年成立了国家功率电子技术发展规划组，制定开发以变频器为主的变频调速发展规划。同年，国务院和国家经委在有关文件中强调应将交流电机的调速节电作为重点措施推广。原电子工业部在规划中将以变频器时代的节能电子技术列为发展重点之一，希望通过对中国现有100余家科研生产单位在从事变频器技术的研宄与产品生产，个别生产厂家从日美等国引进了较为先进的变频器生产线。与国外相比，中国变频器产业的发展还不尽人意，仍存在许多问题和困难，集中体现在变频器的技术水平，如功率等级在150kW以下的相关配套产业，所用功率电子器件和半导体器件的制造业基础薄弱等。然而，从市场来看，变频器的应用在各个领域己逐渐展开，市场潜力极大。如果现在尚不壮大国内变频器产业，则中国势必会失去在这个领域的发展良机，正趋上升的国内市场需求也势必被国外产品所占据。目前我国用于购置变频器的费用虽高达数亿元，但真正用于购买国产变频器的费用偏少，这无疑值得中国变频器行业的经营者深思。