摘要 以ACS150 系列變頻器為例，簡述了變頻器的工作原理和基本特點(diǎn)，并對變頻器在應(yīng)用和選型過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)以及如何根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)來選用變頻器進(jìn)行了較詳細(xì)的說明。
關(guān)鍵字：變頻調(diào)速；負(fù)載；應(yīng)用

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制理論的不斷提出與完善，使變頻技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。近年來，伴隨著變頻器功能的不斷提升和擴(kuò)大，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展，其現(xiàn)在已經(jīng)從最初的只能用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速過渡到應(yīng)用于各類要求高精度、快響應(yīng)的高性能調(diào)速指標(biāo)的工業(yè)現(xiàn)場。ACS150系列變頻器由ABB 公司設(shè)計(jì)制造，它可以通過可選件的優(yōu)化組合最大范圍地滿足機(jī)械行業(yè)的要求，主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類、門控、物料輸送、傳送帶等的控制。

1 變頻調(diào)速原理

n=60 f(1-s)/p（1）

式中：n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；
f為電網(wǎng)頻率；
s 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；
p 為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f 成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f 在0~50 Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。

變頻器主要采用交—直—交方式，即先把工頻交流電源通過整流裝置轉(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(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流，逆變部分為IGBT三相橋式逆變，且輸出為PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)的作用為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。

變頻器在應(yīng)用中改變的不僅僅是頻率，它還得同時(shí)改變交流電的電壓，如果僅改變頻率，電機(jī)可能被燒壞。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。但是在低頻時(shí)仍成比例地降低電壓，由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速下磁鍵波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。

2 ACS150的主要特特點(diǎn)

1）FlashDrop 使傳動(dòng)設(shè)置及調(diào)試更加快速、容易，可用于批量制造，新型、快速、安全、無憂的方法，專利技術(shù)無須加電。
2）固定式控制盤具有舒適、耐用接口的特性，清晰的LCD顯示器、背景燈以及按鈕的集成控制面板。
3）固定式電位器直觀的速度設(shè)定，集成的電位器，設(shè)定值顯示在控制面板上。
4）集成EMC濾波器無需外部濾波器，第二環(huán)境濾波器標(biāo)配，符合IEC-61800-3。
5）內(nèi)置制動(dòng)斬波器降低成本，節(jié)省空間并簡化接線，具有100豫制動(dòng)性能。
6）靈活的安裝方式優(yōu)化的布局以及有效的機(jī)柜空間利用率。
7）有涂層的電路板壽命更長且減少維護(hù)，防塵和防潮標(biāo)配。

3 變頻器的選型

變頻器的正確選用對于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求，決定選用何種控制方式和防護(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器最合適。所謂合適是指在滿足機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下，實(shí)現(xiàn)變頻器應(yīng)用的最佳性價(jià)比。

3.1 平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載

風(fēng)機(jī)類、泵類負(fù)載是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。一般情況下，具有U/f=const（U是指輸出電壓，f 是指輸出電壓的頻率）控制模式的變頻器基本都能滿足這類負(fù)載的要求，下面根據(jù)這類變頻器的主要特點(diǎn)介紹選型時(shí)需要注意的問題。

3.1.1 避免過載

風(fēng)機(jī)和水泵一般不容易過載，選擇變頻器的容量時(shí)保證其稍大于或等于電動(dòng)機(jī)的容量即可；同時(shí)選擇的變頻器的過載能力要求也較低，一般達(dá)到120豫，1min 即可。但在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時(shí)應(yīng)注意，由于負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平
方成正比，當(dāng)工作頻率高于電動(dòng)機(jī)的額定頻率時(shí)，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩會(huì)超過額定轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)過載。所以，要嚴(yán)格控制最高工作頻率不能超過電機(jī)額定頻率。

3.1.2 啟/ 停時(shí)變頻器加速時(shí)間與減速時(shí)間的匹配

由于風(fēng)機(jī)和泵的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，其啟動(dòng)和停止時(shí)與變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間匹配是一個(gè)非常重要的問題。在變頻器選型和應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷參數(shù)計(jì)算變頻器的加速時(shí)間和減速時(shí)間來選擇最短時(shí)間，以便在變頻器啟動(dòng)時(shí)不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時(shí)不發(fā)生過電壓跳閘的情況。但有時(shí)在生產(chǎn)工藝中，對風(fēng)機(jī)和泵的啟動(dòng)時(shí)間要求很嚴(yán)格，如果上述計(jì)算的時(shí)間不能滿足需求時(shí)，應(yīng)該對變頻器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)選型。

3.1.3 避免共振

由于變頻器是通過改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，有可能在某一電機(jī)轉(zhuǎn)速下與負(fù)荷軸系的共振點(diǎn)、共振頻率重合，造成負(fù)荷軸系不能容忍的振動(dòng)，有時(shí)會(huì)造成設(shè)備停運(yùn)或設(shè)備損壞，所以在變頻器功能參數(shù)選擇和預(yù)置時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷軸系的共振頻率，通過設(shè)定跳躍頻率點(diǎn)和寬度，避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。

3.1.4 憋壓與水錘效應(yīng)

泵類負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行過程中，容易發(fā)生憋壓和水錘效應(yīng)，變頻器在功能設(shè)定時(shí)要針對這個(gè)問題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。

1）憋壓泵類負(fù)載在低速運(yùn)行時(shí)，由于關(guān)閉出口閥門使壓力升高，從而造成泵汽蝕。在變頻器功能設(shè)定時(shí)，通過設(shè)定變頻器的最低頻率來限定泵流量的臨界點(diǎn)最低轉(zhuǎn)速，可避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

2）水錘效應(yīng)泵類負(fù)載在突然斷電時(shí)，管道中的液體由于重力而倒流。若逆止閥不嚴(yán)或沒有逆止閥，將導(dǎo)致電機(jī)反轉(zhuǎn)，造成電機(jī)發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障或燒壞。在變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使變頻器按減速曲線停止，在電機(jī)完全停止后再斷開主電路，或者設(shè)定“斷電減速停止”功能，可避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

帶式輸送機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的典型例子。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的基本特點(diǎn)為，在負(fù)荷一定的情況下，負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩取決于皮帶與滾筒間的摩擦阻力和滾筒的半徑。

這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān)，所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩保持不變。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，除了按常規(guī)要求外，應(yīng)對變頻器的控制方式進(jìn)行選擇。

綜上所述，異步電動(dòng)機(jī)變頻控制選用不同的控制方法，就可以得到不同性能特點(diǎn)的調(diào)速特性。

3.3 根據(jù)安裝環(huán)境選取變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)

變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)要與其安裝環(huán)境相適應(yīng)，為此要考慮環(huán)境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素，這與變頻器能否長期、安全、可靠運(yùn)行關(guān)系重大。大多數(shù)變頻器廠商可提供以下幾種常用的防護(hù)結(jié)構(gòu)供用戶選用：