一、變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率分析 （一）變頻器的效率與損耗 變頻器效率是指其本身變換效率。就變頻器的兩種形式而言：交—直變頻器盡管效率較高，但調(diào)頻范圍受到限制，應用受到限制，目前通用的變頻器主要是交—直—交型。其變頻器的損耗由三部分組成，整流損耗約占41%，逆變損耗約占50%，控制回路損耗占10%。前兩項損耗是隨著變頻器的容量、負荷、拓撲結(jié)構(gòu)的不同而變化，而控制回路損耗不隨變頻器容量、負荷而變化。變頻器采用大功率自關(guān)斷開關(guān)器件等現(xiàn)代電力電子技術(shù)，其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術(shù)中整流損耗量小，變頻器在額定狀態(tài)運行時，其效率為86.4%～96%，并隨著變頻器功率增大而提高。 （二）變頻調(diào)速后電機效率的變化 變頻調(diào)速后，電機的各種損耗和效率均有所變化。根據(jù)電機學理論，電機的損耗可分為鐵心損耗、軸承摩擦損耗、風阻損耗、定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、雜散損耗等。 鐵心中的磁滯損耗表達式為： 定子繞組銅耗和轉(zhuǎn)子繞組銅耗的大小與電源頻率f沒有直接關(guān)系,但高次諧波及脈動電流增加了電機的銅耗。 雜散損耗及附加損耗：不論何種形式的變頻器，變頻后除基波外，還都產(chǎn)生高次諧波，這些附加的高次諧波的轉(zhuǎn)矩方向與基波轉(zhuǎn)矩方向相反，也會增加渦流損耗。 綜上所述，變頻調(diào)速后，電機的磁滯損耗、渦流損耗、軸承摩擦損耗、定轉(zhuǎn)子銅損及雜散損耗在功率中所占比例都有所增加，變頻調(diào)速后電機電流增加10%，溫升增加20%。 二、轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問題 直接轉(zhuǎn)矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入。該模型每隔25us產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進行比較，給出其最佳開關(guān)量。由此可知，它是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量，即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進而調(diào)整電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達到精確控制的目的。 （一）選型原則 在選型前，根據(jù)機械對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，確定機械要求的最大輸入功率。 式中：P為機械要求的輸入功率，kW；n為機械轉(zhuǎn)速，r/min；T為機械的最大轉(zhuǎn)矩，N．m。 然后選擇電機的極數(shù)和額定功率。電機的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個調(diào)速范圍，使連續(xù)負載容量高一些。為了充分利用設備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步速度，但必須小于電機允許的最大速度。轉(zhuǎn)矩取設備在起動、連續(xù)運行、過載或最高速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流確定變頻器的參數(shù)與型號。 應注意的是：變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40℃或25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，在根據(jù)變頻器參數(shù)確定型號前要考慮由此造成的降容因素。 （二）變頻器容量的選擇 根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為普通功能型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型變頻器3種類型。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉(zhuǎn)矩（TL∝n2），低速下負載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器，如：西門子公司的MICROMASTER-430系列、東芝公司的VF-P系列變頻器。對于恒轉(zhuǎn)矩類負載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速要求的機械采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能變頻器則是比較理想的，因為這種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性，如：日本富士公司的FRENIC5000G11/P11、三肯公司的SAMCO-L系列變頻器。為了實現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大變頻器容量的辦法。對于要求精度高、動態(tài)性能好、響應快的生產(chǎn)機械，應采用矢量控制高功能型通用變頻器，如：安川公司的VS-61665系列、西門子公司的MICROMASTER-440系列變頻器。 大多數(shù)變頻器容量可從額定電流、可用電機功率和額定容量三個角度表述。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關(guān)鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器的基本原則，必須保持在無故障狀態(tài)下 負載總電流均不超過變頻器的額定電流。 變頻器供給電機的是脈動電流，電機在額定運行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電機電流或功率大一個等級，一般為：PNV≥1.1PN（式中：PNV為變頻器額定功率，kW; PN為電機額定功率，kw）。 三、變頻調(diào)速在工業(yè)應用中應注意的問題 （一）負荷匹配問題 機泵負荷最大節(jié)能是選用型號、容量與實際負荷相匹配，其中包括機泵與所配電機的匹配、一般裕量應控制在10%以內(nèi)。 （二）變頻調(diào)速系統(tǒng)在應用中的抗干擾問題 1．抗電磁干擾的措施 為防止電磁干擾，可采用硬件和軟件兩種抗干擾措施，具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。 2．隔離 在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以避免傳導干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。 加大受擾電路、器件或裝置與干擾源之間的距離是降低干擾強度的一種行之有效的措施。但有時要求設備之間，裝置的各種布線之間保持一定距離，在安裝場合受到限制、設備要求體積小的情況下，這種要求往往很難得到滿足。因此，尚需考慮其他措施。 此時可以采取將同一類信號線放在一條電纜管或槽中，而相近種類信號線若必須在同一電纜槽中走線，則一定要用金屬隔板將它們隔開。 還有一種隔離是將信號源同變頻器在電氣上進行隔離，這樣會大大地減小共模干擾對變頻控制系統(tǒng)造成的危害。采用隔離放大器將信號的輸入端子與變頻器部分完全隔離。 3．屏蔽 對于電氣屏蔽，采取的措施是將有關(guān)電路、元器件、或設備安裝在銅、鋁等低電阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物內(nèi)，不使電場和磁場穿透這些屏蔽物。 但在很多場合下，信號除了受電噪聲干擾以外，主要還受到強交變磁場的影響（如電站、冶煉廠、重型機械廠等），那么我們除了要考慮電氣屏蔽以外，還要考慮磁屏蔽，即考慮用鐵、鎳等導磁性能好的導體進行屏蔽。 用雙絞線代替兩根平行導線是抑制磁場干擾的有效辦法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏；輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短，且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路的輸入和輸出線及控制線完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。 4．濾波 當系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高時，為減少對電源的干擾，在電源輸入端可加裝電源濾波器。為抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因素，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)允許的畸變程度而定。為改善變頻器輸出電流，減少電機噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。在系統(tǒng)線路中設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設置輸出濾波器；為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器以免傳導干擾。 5．接地 （1）保護接地。保護接地是將變頻控制系統(tǒng)中平時不帶電的金屬部分與地之間形成良好的導電連接，以保護設備和人身安全。因此，必須將金屬外殼和地之間作很好地連接，使機殼和地等電位。此外，保護接地還可以防止靜電的積聚。 （2）工作接地。工作接地是為了使變頻控制系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運行并保證測量和控制精度而設的接地。它分為機器邏輯地、信號回路接地、屏蔽接地，在石化和其他防爆系統(tǒng)中還有本安接地。 （3）供電系統(tǒng)地。在很多企業(yè)，特別是電廠、冶煉廠等，其廠區(qū)內(nèi)有一個很大的地線網(wǎng)，而通常供電系統(tǒng)的地是與地線網(wǎng)連在一起的。有的廠家強調(diào)變頻控制系統(tǒng)的所有接地必須和供電系統(tǒng)地以及其他（如避雷地）嚴格分開，而且之間至少應保持15m以上的距離。為了徹底防止供電系統(tǒng)地的影響，建議供電線線路用隔離變壓器隔開。 （4）保護接地。變頻控制系統(tǒng)的所有設備均有一個保護地，該保護一般在機柜和其他設備設計加工時就已在內(nèi)部接好，有的系統(tǒng)中已將該保護地在內(nèi)部同電源進線的保護地連在一起，有的不允許將保護地同該線相連，用戶一定要仔細閱讀廠家提供的接地安裝說明書，不管哪種方式，CG必須將一臺設備上所有的外設或系統(tǒng)的CG連在一起，然后用較粗的絕緣銅導線將各站的CG連在一起，最后從一點上與大地接地系統(tǒng)相連。 （5）模擬地。變頻器設計和制造中，在機柜內(nèi)部都安置了AG匯流排或其他設施。用戶在接線時將屏蔽線分別接到AG匯流排上，在機柜底部，用絕緣的銅辮連到一點，然后將各機柜的匯流點再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點。大多數(shù)的變頻器要求，不僅各機柜AG對地電阻小于1Ω，而且各機柜之間的電阻也要小于1Ω。 （6）信號地。信號地的處理：原則上不允許各變送器和其他的傳感器在現(xiàn)場端接地，而都應將其負端在變頻器端子處一點接地。但在有些場合，現(xiàn)場端必須接地，這時，必須注意原信號的輸入端子絕對不能和變頻控制系統(tǒng)的接地線有任何電氣連接，而變頻控制系統(tǒng)在處理這類信號時，必須在前端采用有效的隔離措施。 四、結(jié)束語 變頻調(diào)速在工業(yè)應用中應結(jié)合系統(tǒng)的靜動態(tài)指標，重視變頻器的EMC要求，以負載的機械特性為主要設計參數(shù)，在注重變頻器控制方式的選擇及變頻器的選擇的基礎上，解決變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)應用中的實際問題，以使變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高的靜動態(tài)指標和高性價比。