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摘 要：本文在分析了交流调速特别是变频调速的原理和控制方法的基础上，结合通用变频器的特点和功能，介绍了通用变频调速系统设计的一般原则和方法。
关键词：变频器；变频调速；方法
1 通用变频器的类别、参数和功能
1.1 变频器的类别
1.1.1 交-交变频器与交-直-交变频器
变频器按换流电路的结构分为交-交变频调速和交-直-交变频调速两种。交-交变频把频率固定的交流电直接转换为可调的交流电，不需要中间直流环节，单相交-交逆变器如图3.1（c）、（d）所示。交-交变频器最高频率不能超过电源的1/2，主要用于低速大功率传动场合，具有过载能力，换能损耗小，在主回路无需增加元件的情况下可以实现四象限运行等特点，已成功应用于冶金行业大型轧钢机主传动、采矿业的提升机等需要低速段调节的设备中；交-直-交变频调速是目前应用最普遍的调速方式，采用中间直流环节，具有调速范围宽、不受电源频率限制，能实现各种复杂控制策略，控制性能好等等许多优点，对于目前占全国耗电总量2/3的交流电机来说，大都需要0～50Hz的交-直-交变频器，其节能频段为5～45Hz，节电率在20%～60%。现有的拖动电机多数处在全压、额定频率、恒速条件下运行，运行效率低，约为60%左右，功率因素也仅为0.7左右，大都需要进行变频改造。目前众多变频器生产商生产的变频器大都属于交-直-交变频器，如富士、安川、美国AB，ROBINCON、瑞士ABB、西门子等等。
1.1.2 电压型、电流型变频器
交流调速变频器按直流电路的储能环节是电容还是电感分为电压型和电流型两种，电压型和电流型变频调速系统各有优缺点，一般来说，如果电机的漏抗比较大，宜选用电压型变频器；反之可以选择电流型变频器。典型的电压型和电流型变频器原理图如图3.1（a）、（b）所示。
图3.1 电压型和电流型变频器原理图
（a）、（b）分别为交-直-交电压型和电流型变频器；
（c）、（d）分别为单相交-交电压型和电流型变频器。
1.2 通用变频器主要参数和功能
通用变频器主要指电压小于1000V的变频器，包括单相220V和三相380V、容量为0.1～55kW的低压小容量变频器以及380～1000V，容量为75～1500kW的低压中大容量变频器，之所以称为通用变频器，是因为这类变频器适用面宽，不是专门为某一类单一设备设计的，既适用于风机、泵类负载，又适用于恒转矩负载，還可用于倒数转矩负载。通用变频器主电路如图3.2所示。
1.2.1 通用变频器额定数据
输入侧额定参数：
（1）输入电压UIN，在我国，低压变频器一般为单相220V，三相380V；另外，变频器还应对输入电压允许的波动范围作出规定，如±10%，±20%等。
（2）输入电源相数：单相还是三相。
（3）电源频率及允许波动范围，目前不少变频器厂商生产的变频器都兼顾了不同国家额定电源频率的差别，输入频率可有多种选择。
输出测额定参数：
（1）电压UON，由于变频器在运行中需要变压变频，其输出额定电压指输出最大电压，通常和输入电压相同。
（2）额定电流IN，指变频器允许长时间运行的最大电流。
（3）额定容量SN，定义为
（4）适配电机功率PN，指连续不变的负载，允许配用的最大电动机容量。由于电机的容量是根据发热来决定的，在变动负载和断续负载中，电机可以允许过载几分钟到几十分钟，但是变频器不允许长时间过载，所以在考虑变频器适配电机时要考虑负载的实际工况。
（5）过载能力，定义为变频器的输出电流允许超过额定值的倍数与时间，如150%额定电流1分钟，根据不同的负荷性质稍有不同。
（6）频率范围、频率精度和频率分辨率，频率范围如（0～400Hz），（0.2～200Hz）等。频率精度指输出频率的准确度，即变频器在无任何自动补偿时实际输出频率与给定值之间的误差比上最大输出频率。频率精度与频率设定方式有关，通过面板、通信数字设定方式下比通过给定电位器等模拟给定方式下腰高一个数量级。频率分辨率，指输出频率的最小改变量，与最高工作频率和设定方式有关。
1.2.2 通用变频器的功能
不同变频器厂商的通用变频器功能不一定完全相同，其外部端口也不完全一样，但是大部分功能都是相同的，外部端口在许多方面也有共同点，通用变频器一般有如下功能：
（1）频率给定
通用变频器频率给定有数字设定；模拟电压设定；模拟电流设定；上位机串行通讯设定。
（2）控制策略选择功能
根据前述变频器控制理论，变频调速有多种控制策略，通用变频器也一般预置有不同的控制策略以适应不同的控制和负载要求：U/F控制，即恒压频比控制；矢量控制，分为带速度反馈和无速度反馈的两种，前者是迄今为止控制性能最好的一种控制策略，可以使电机得到很硬的机械特性，并具有很好的动态响应性能，后者主要用于对调速动态响应要求不是很高的场合。
（3）通用变频器的加减速功能
加速功能：与变频器的加速功能有关的设置是加速时间和加速方式。加速时间指从0Hz上升至基本频率所需要的时间，一般有几种设置时间可供选择；常用的加速方式主要有线性加速方式、S形以及半S形。
启动功能：对于不同的负载，变频器具有不同的启动选项，如对于静摩擦较大的负荷，可以按设置的启动频率直接启动；对于启动惯性较大的负荷，可预置暂停升速功能，使电机在低速运行一段时间再加速，防止电机过流和失速。
减速功能：与加速类似，也有减速时间预置和三种典型的减速曲线。 直流制动：电机在减速开始时，电机因处于再生发电状态因而减速较快，但是随着转速的降低，拖动系统动能减小，再生制动能力下降，对于惯性较大的系统，会出现电机低速“爬行”现象。为了克服这一缺点，可在电机转速低于某一给定值时向电机绕组注入直流加大制动转矩，使拖动设备迅速停止运转。
（4）通用变频器控制方式
通用变频器的控制方式比较灵活，大致有如下两种控制方式：变频器自动控制，变频器根据预置的程序步骤完成全部工作流程；远程控制，变频器还可以实现远程参数设置和运行控制，主要由上位机来设定系统参数和运行参数，变频器一般预留有232与485接口。
2 变频调速系统的设计
2.1 变频调速系统的设计步骤
一个通用的变频调速系统框图如图4.1所示，过程调节器通过检测被控对象的被控量（如流量、压力、水位等），根据一定的控制规律形成变频器的转速给定量，调节电机的转速，使被控对象的被控量达到希望的值。
整个变频调速系统的设计，直观上看，主要就是确定变频器、电机以及过程调节器
或者智能调节器，实际上，为了更有效的发挥变频器的优势，设计一套最佳的变频调速系统还远不止这些，需要对整个生产工艺和流程有一个全面的了解和分析。
2.2 确定拖动系统的功率
设计变频调速系统的第一步是确定拖动系统所需的功率，从而选择选定适当容量的电动机。一般情况下，决定电机容量的主要依据是电动机的温升。根据电动机发热的特点，负载分为连续负载、断续负载和短时负载。
2.2.1 电动机容量的確定
（1）恒转矩负载
恒转矩负载在转速变化时具有恒定的转矩。因此其所需功率P可根据所需的连续转矩和额定转速或速度上限计算：
式中T为转矩，单位为N.m，n指系统额定转速或者调速范围的上限，单位为转/分（r/min）。按式（4-1）所得到的功率还需要进行启动校验。通用变频器一般过载能力为150%、1分钟，因此最大启动转矩为：
如果负载转矩或者加速转矩大于按上式计算出的Tmax，则需要考虑增加电机和变频器的功率。
此外，对于某些应用对象，虽然是恒转矩负载，但是实际负载转矩会随着转速的变化会有所变化，此时按式（4-1）计算时，Tn应带入最大可能出现的连续转矩，n带入额定转速，即使该转矩并不出现在额定转速。
（2）平方律负载
平方律负载主要包括风机和泵类负载，转矩与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比，此时最大功率出现在最大速度点，因此，可根据厂商提供的风机、泵类参数选定电机的额定功率。需要说明的是，并不是所有的风机、泵类负载都是平方律负载。实际上，在考虑到启动转矩、加速转矩和某些特定应用场合，实际的功率特性可能是线性的，这种情况发生在处理高浓度液体的泵类、常温下锅炉引风机和某些实验机械。
2.2.3 电机功率裕量的考虑
在常规下的功率确定后，还需要增加电机的功率，使其具有足够的输出功率裕量。电机功率裕量的考虑与如下因素有关。
（1）电机的冷却方式 对于主轴安装内部风扇的自冷式电机，当拖动平方律负载时，可以在整个调速范围内平稳的工作，不需要考虑功率裕量。对于恒转矩负载，由于转速降低时，冷却性能变差，此时必须考虑增加电机额定输出功率或者附加外部冷却设备。
（2）变频器输出谐波的影响 变频器的输出谐波会增加电机发热，产生噪声并使实际输出力矩减小。此时可以考虑增加电机的容量 或者采用低谐波的变频器，或者在变频器输出端增加滤波器。
（3）超额定转速运行 目前，商用变频器频率变化范围一般为0～120Hz或更高，除专门设计的变频电机外，普通电机一般不允许超过其同步转速，但是如负荷要求的最高转速超过同步转速不多时（最高转速小于同步转速的105%～110%），可考虑增加电机的功率裕量。
（4）特殊应用场合 当系统使用环境不满足电机规定的环境要求时，也可考虑增加电机的功率裕量。如电机一般规定海拔高度为1000m，周围环境温度小于，如实际海拔高度和环境温度超过上述值，则应考虑功率更大的电机，并相应提高变频器的容量。
2.3 变频器容量的确定
对于PWM变频器，变频器厂商一般提供拖动恒转矩和平方律负载的两种变频器系列，根据确定的电机额定电流和负载特性，即可选择相应的变频器。如果变频器厂商所提供的变频器只有一个系列，可同时适用于两类负载，则对于平方律负载，选择变频器的额定电流略大于等于电机的额定电流；对于恒转矩负载，需要选择变频器的额定电流大于等于电机的最大工作电流。若无法确定电机的最大工作电流，则可在按电机的额定电流选取的变频器基础上提高1～2个档次。
2.4 变频调速系统的组成
在确定拖动系统功率（选择电机容量和变频器容量）后，需要考虑变频调速系统的组成，变频调速系统的组成设计包括选定变频器的型号和规格、拖动系统的结构框图、决定配套设备（高低压电器、滤波器、调节器等）的参数或者型号。整个调速系统组成设计实际上是一个经济和技术的平衡过程，可以在充分调研的基础上制定几个方案，在对技术和经济仔细论证后选择一种最佳方案。变频调速系统的经济评估主要是节能和投资回报分析，并对不同的方案提出技术经济指标。
3 结语
本文在分析了交流调速特别是变频调速的原理和控制方法的基础上，结合通用变频器的特点和功能，介绍了通用变频调速系统设计的一般原则和方法。无论是低压还是高压应用领域，变频调速是电力拖动系统调速的必然发展趋势。交流调速尤其是变频调速，其控制方法和主电路结构的形式，都还有许多问题需要解决，面向各种复杂的运行环境和工业流程，通用变频器以及高压变频器，还有许多工作需要我们去做，特别是通用变频器和高压变频器的国产化，有待于广大科研工作者和我们企业的技术人员、运行人员一起进行更广泛、深入地探索和研究。
关键词：变频器；变频调速；方法
1 通用变频器的类别、参数和功能
1.1 变频器的类别
1.1.1 交-交变频器与交-直-交变频器
变频器按换流电路的结构分为交-交变频调速和交-直-交变频调速两种。交-交变频把频率固定的交流电直接转换为可调的交流电，不需要中间直流环节，单相交-交逆变器如图3.1（c）、（d）所示。交-交变频器最高频率不能超过电源的1/2，主要用于低速大功率传动场合，具有过载能力，换能损耗小，在主回路无需增加元件的情况下可以实现四象限运行等特点，已成功应用于冶金行业大型轧钢机主传动、采矿业的提升机等需要低速段调节的设备中；交-直-交变频调速是目前应用最普遍的调速方式，采用中间直流环节，具有调速范围宽、不受电源频率限制，能实现各种复杂控制策略，控制性能好等等许多优点，对于目前占全国耗电总量2/3的交流电机来说，大都需要0～50Hz的交-直-交变频器，其节能频段为5～45Hz，节电率在20%～60%。现有的拖动电机多数处在全压、额定频率、恒速条件下运行，运行效率低，约为60%左右，功率因素也仅为0.7左右，大都需要进行变频改造。目前众多变频器生产商生产的变频器大都属于交-直-交变频器，如富士、安川、美国AB，ROBINCON、瑞士ABB、西门子等等。
1.1.2 电压型、电流型变频器
交流调速变频器按直流电路的储能环节是电容还是电感分为电压型和电流型两种，电压型和电流型变频调速系统各有优缺点，一般来说，如果电机的漏抗比较大，宜选用电压型变频器；反之可以选择电流型变频器。典型的电压型和电流型变频器原理图如图3.1（a）、（b）所示。
图3.1 电压型和电流型变频器原理图
（a）、（b）分别为交-直-交电压型和电流型变频器；
（c）、（d）分别为单相交-交电压型和电流型变频器。
1.2 通用变频器主要参数和功能
通用变频器主要指电压小于1000V的变频器，包括单相220V和三相380V、容量为0.1～55kW的低压小容量变频器以及380～1000V，容量为75～1500kW的低压中大容量变频器，之所以称为通用变频器，是因为这类变频器适用面宽，不是专门为某一类单一设备设计的，既适用于风机、泵类负载，又适用于恒转矩负载，還可用于倒数转矩负载。通用变频器主电路如图3.2所示。
1.2.1 通用变频器额定数据
输入侧额定参数：
（1）输入电压UIN，在我国，低压变频器一般为单相220V，三相380V；另外，变频器还应对输入电压允许的波动范围作出规定，如±10%，±20%等。
（2）输入电源相数：单相还是三相。
（3）电源频率及允许波动范围，目前不少变频器厂商生产的变频器都兼顾了不同国家额定电源频率的差别，输入频率可有多种选择。
输出测额定参数：
（1）电压UON，由于变频器在运行中需要变压变频，其输出额定电压指输出最大电压，通常和输入电压相同。
（2）额定电流IN，指变频器允许长时间运行的最大电流。
（3）额定容量SN，定义为
（4）适配电机功率PN，指连续不变的负载，允许配用的最大电动机容量。由于电机的容量是根据发热来决定的，在变动负载和断续负载中，电机可以允许过载几分钟到几十分钟，但是变频器不允许长时间过载，所以在考虑变频器适配电机时要考虑负载的实际工况。
（5）过载能力，定义为变频器的输出电流允许超过额定值的倍数与时间，如150%额定电流1分钟，根据不同的负荷性质稍有不同。
（6）频率范围、频率精度和频率分辨率，频率范围如（0～400Hz），（0.2～200Hz）等。频率精度指输出频率的准确度，即变频器在无任何自动补偿时实际输出频率与给定值之间的误差比上最大输出频率。频率精度与频率设定方式有关，通过面板、通信数字设定方式下比通过给定电位器等模拟给定方式下腰高一个数量级。频率分辨率，指输出频率的最小改变量，与最高工作频率和设定方式有关。
1.2.2 通用变频器的功能
不同变频器厂商的通用变频器功能不一定完全相同，其外部端口也不完全一样，但是大部分功能都是相同的，外部端口在许多方面也有共同点，通用变频器一般有如下功能：
（1）频率给定
通用变频器频率给定有数字设定；模拟电压设定；模拟电流设定；上位机串行通讯设定。
（2）控制策略选择功能
根据前述变频器控制理论，变频调速有多种控制策略，通用变频器也一般预置有不同的控制策略以适应不同的控制和负载要求：U/F控制，即恒压频比控制；矢量控制，分为带速度反馈和无速度反馈的两种，前者是迄今为止控制性能最好的一种控制策略，可以使电机得到很硬的机械特性，并具有很好的动态响应性能，后者主要用于对调速动态响应要求不是很高的场合。
（3）通用变频器的加减速功能
加速功能：与变频器的加速功能有关的设置是加速时间和加速方式。加速时间指从0Hz上升至基本频率所需要的时间，一般有几种设置时间可供选择；常用的加速方式主要有线性加速方式、S形以及半S形。
启动功能：对于不同的负载，变频器具有不同的启动选项，如对于静摩擦较大的负荷，可以按设置的启动频率直接启动；对于启动惯性较大的负荷，可预置暂停升速功能，使电机在低速运行一段时间再加速，防止电机过流和失速。
减速功能：与加速类似，也有减速时间预置和三种典型的减速曲线。 直流制动：电机在减速开始时，电机因处于再生发电状态因而减速较快，但是随着转速的降低，拖动系统动能减小，再生制动能力下降，对于惯性较大的系统，会出现电机低速“爬行”现象。为了克服这一缺点，可在电机转速低于某一给定值时向电机绕组注入直流加大制动转矩，使拖动设备迅速停止运转。
（4）通用变频器控制方式
通用变频器的控制方式比较灵活，大致有如下两种控制方式：变频器自动控制，变频器根据预置的程序步骤完成全部工作流程；远程控制，变频器还可以实现远程参数设置和运行控制，主要由上位机来设定系统参数和运行参数，变频器一般预留有232与485接口。
2 变频调速系统的设计
2.1 变频调速系统的设计步骤
一个通用的变频调速系统框图如图4.1所示，过程调节器通过检测被控对象的被控量（如流量、压力、水位等），根据一定的控制规律形成变频器的转速给定量，调节电机的转速，使被控对象的被控量达到希望的值。
整个变频调速系统的设计，直观上看，主要就是确定变频器、电机以及过程调节器
或者智能调节器，实际上，为了更有效的发挥变频器的优势，设计一套最佳的变频调速系统还远不止这些，需要对整个生产工艺和流程有一个全面的了解和分析。
2.2 确定拖动系统的功率
设计变频调速系统的第一步是确定拖动系统所需的功率，从而选择选定适当容量的电动机。一般情况下，决定电机容量的主要依据是电动机的温升。根据电动机发热的特点，负载分为连续负载、断续负载和短时负载。
2.2.1 电动机容量的確定
（1）恒转矩负载
恒转矩负载在转速变化时具有恒定的转矩。因此其所需功率P可根据所需的连续转矩和额定转速或速度上限计算：
式中T为转矩，单位为N.m，n指系统额定转速或者调速范围的上限，单位为转/分（r/min）。按式（4-1）所得到的功率还需要进行启动校验。通用变频器一般过载能力为150%、1分钟，因此最大启动转矩为：
如果负载转矩或者加速转矩大于按上式计算出的Tmax，则需要考虑增加电机和变频器的功率。
此外，对于某些应用对象，虽然是恒转矩负载，但是实际负载转矩会随着转速的变化会有所变化，此时按式（4-1）计算时，Tn应带入最大可能出现的连续转矩，n带入额定转速，即使该转矩并不出现在额定转速。
（2）平方律负载
平方律负载主要包括风机和泵类负载，转矩与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比，此时最大功率出现在最大速度点，因此，可根据厂商提供的风机、泵类参数选定电机的额定功率。需要说明的是，并不是所有的风机、泵类负载都是平方律负载。实际上，在考虑到启动转矩、加速转矩和某些特定应用场合，实际的功率特性可能是线性的，这种情况发生在处理高浓度液体的泵类、常温下锅炉引风机和某些实验机械。
2.2.3 电机功率裕量的考虑
在常规下的功率确定后，还需要增加电机的功率，使其具有足够的输出功率裕量。电机功率裕量的考虑与如下因素有关。
（1）电机的冷却方式 对于主轴安装内部风扇的自冷式电机，当拖动平方律负载时，可以在整个调速范围内平稳的工作，不需要考虑功率裕量。对于恒转矩负载，由于转速降低时，冷却性能变差，此时必须考虑增加电机额定输出功率或者附加外部冷却设备。
（2）变频器输出谐波的影响 变频器的输出谐波会增加电机发热，产生噪声并使实际输出力矩减小。此时可以考虑增加电机的容量 或者采用低谐波的变频器，或者在变频器输出端增加滤波器。
（3）超额定转速运行 目前，商用变频器频率变化范围一般为0～120Hz或更高，除专门设计的变频电机外，普通电机一般不允许超过其同步转速，但是如负荷要求的最高转速超过同步转速不多时（最高转速小于同步转速的105%～110%），可考虑增加电机的功率裕量。
（4）特殊应用场合 当系统使用环境不满足电机规定的环境要求时，也可考虑增加电机的功率裕量。如电机一般规定海拔高度为1000m，周围环境温度小于，如实际海拔高度和环境温度超过上述值，则应考虑功率更大的电机，并相应提高变频器的容量。
2.3 变频器容量的确定
对于PWM变频器，变频器厂商一般提供拖动恒转矩和平方律负载的两种变频器系列，根据确定的电机额定电流和负载特性，即可选择相应的变频器。如果变频器厂商所提供的变频器只有一个系列，可同时适用于两类负载，则对于平方律负载，选择变频器的额定电流略大于等于电机的额定电流；对于恒转矩负载，需要选择变频器的额定电流大于等于电机的最大工作电流。若无法确定电机的最大工作电流，则可在按电机的额定电流选取的变频器基础上提高1～2个档次。
2.4 变频调速系统的组成
在确定拖动系统功率（选择电机容量和变频器容量）后，需要考虑变频调速系统的组成，变频调速系统的组成设计包括选定变频器的型号和规格、拖动系统的结构框图、决定配套设备（高低压电器、滤波器、调节器等）的参数或者型号。整个调速系统组成设计实际上是一个经济和技术的平衡过程，可以在充分调研的基础上制定几个方案，在对技术和经济仔细论证后选择一种最佳方案。变频调速系统的经济评估主要是节能和投资回报分析，并对不同的方案提出技术经济指标。
3 结语
本文在分析了交流调速特别是变频调速的原理和控制方法的基础上，结合通用变频器的特点和功能，介绍了通用变频调速系统设计的一般原则和方法。无论是低压还是高压应用领域，变频调速是电力拖动系统调速的必然发展趋势。交流调速尤其是变频调速，其控制方法和主电路结构的形式，都还有许多问题需要解决，面向各种复杂的运行环境和工业流程，通用变频器以及高压变频器，还有许多工作需要我们去做，特别是通用变频器和高压变频器的国产化，有待于广大科研工作者和我们企业的技术人员、运行人员一起进行更广泛、深入地探索和研究。