圖片來源：西門子

作者：Christopher Jaszczolt

變頻器是一種電子設(shè)備，它使用高速開關(guān)或絕緣柵雙極晶體管（IGBT），將三相輸入電源轉(zhuǎn)換為可變頻率和電壓輸出以控制電機轉(zhuǎn)速。 

通過變頻器，電機可廣泛應(yīng)用于各種場景，實現(xiàn)跨線操作或機械方式無法實現(xiàn)的控制。使用變頻器控制的電機，用戶可以通過匹配電機速度來優(yōu)化系統(tǒng)效率，以保持精確的系統(tǒng)需求。大多數(shù)變頻器應(yīng)用都可以提高系統(tǒng)效率，因此通常在不到一年的時間里，就可通過節(jié)能收回在變頻器上的投資。 

與所有電子設(shè)備一樣，變頻器具有先進的功能，無需配置外部設(shè)備和可編程邏輯控制器（PLC）就可提供更多的系統(tǒng)控制。正是由于這些創(chuàng)新，有些人可能會認為要實現(xiàn)這些功能需要對變頻器進行大量編程，這是可以理解的。但在大多數(shù)應(yīng)用場景下，只需做出最基本的設(shè)置，就可使電機運行起來。這是因為變頻器的設(shè)計和制造旨在將復(fù)雜的事情變得簡單易行。 

在大多數(shù)情況下，變頻器的默認設(shè)置足以滿足應(yīng)用需求，無需進行任何調(diào)整。如果應(yīng)用需要調(diào)整參數(shù)，一般不會超過 12 個。為變頻器編程來適配大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場景，只需要設(shè)置最基本的參數(shù)即可使電機運行。了解下面 5 個重要的參數(shù)，可以優(yōu)化變頻器編程。

通常，需要變頻器安裝人員設(shè)置的第一個參數(shù)是控制方式?？刂品绞降倪x擇決定了變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的能力。這些控制方式可分為 3 種 ：V/f（伏特 / 赫茲）控制、自感應(yīng)矢量控制和閉環(huán)矢量控制。 

▎圖 1 ：變頻器預(yù)先配置了 過載功能，以解決不同 類型的電動機。本文圖 片來源 ：Yaskawa

V/f 控制是最常用的電機控制方法。它是這 3 種控制方式中最基本的方法。在變頻器轉(zhuǎn)速需要調(diào)整時，V/f 控制可將變頻器固定為按照預(yù)定義的電壓和頻 率曲線輸出，從而使電機按照該曲線調(diào)整。可以調(diào)整這些 V/f 模式以提供 高 啟 動 轉(zhuǎn) 矩，也可以在無需恒定的電壓與頻率關(guān)系時降低轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化可變轉(zhuǎn)矩負載的效率。

自感應(yīng)矢量控制是可以對電機轉(zhuǎn)速進行更精細控制的一種方法。變頻器可以使用各種不同和復(fù)雜的控制方案來實現(xiàn)此控制。本質(zhì)上，復(fù)雜的算法用于監(jiān)視、解釋和響應(yīng)電流反饋，以提供精確的電動機控制。但是，看待此控制方法的最簡單方式是將其視為不需編碼器的精確電機控制。 

閉環(huán)矢量控制是可用的最先進的電機控制方法。閉環(huán)矢量控制使用電機編碼器來提供精確的轉(zhuǎn)速反饋，并消除因響應(yīng)電流反饋而在變頻器控制中產(chǎn)生的任何偏差。增加編碼器可以讓變頻器清楚電動機正在做什么以及它正如何響應(yīng)負載。

為什么要調(diào)整控制方式？

調(diào)整控方式是為了滿足電機驅(qū)動應(yīng)用的需求。有些應(yīng)用很簡單，只需要以近似速度運行，而有些應(yīng)用則需要精確和動態(tài)的電機控制。每一種控制方式都能滿足應(yīng)用需求，或限制系統(tǒng)啟動和運行所需的編程。 

V/f 控制通常用于不需精確控制轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)，例如風(fēng)扇或泵。在最基本的 V/f 控制方法中，允許電機偏離轉(zhuǎn)速指令。轉(zhuǎn)速的輕微變化，幾乎不會影響整體的系統(tǒng)性能，因為其它驅(qū)動程序會調(diào)整轉(zhuǎn)速以維持系統(tǒng)需求。

▎圖 2 ：使用適當(dāng)?shù)募铀俸蜏p速時間，可以顯著減少電機啟動時的沖擊電流和轉(zhuǎn)速變化時的電流浪涌。

例如，如果要求風(fēng)扇以半速運行并且無法維持需求，那么大多數(shù)系統(tǒng)配置就會通過變頻器的比例積分回路或與外部設(shè)備配合使用來提高轉(zhuǎn)速指令，以提供所需的電機轉(zhuǎn)速。由于幾乎不需要編程即可實現(xiàn)，V/f 控制是最常用的控制方法。

大多數(shù)變頻器制造商根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗，已經(jīng)將泵和風(fēng)扇設(shè)的運行模式設(shè)置為默認配置。這些默認配置可以提供最佳節(jié)能效果，幾乎不需要編程。即使是固定扭矩應(yīng)用，例如壓縮機，也可以充分利用 V/f 控制的優(yōu)點進行配置，非常方便。

自感應(yīng)矢量控制可以改善過程控制，減少維護工作。例如，自感應(yīng)矢量控制將電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到電機額定轉(zhuǎn)速的 1/200 以內(nèi)，提供動態(tài)轉(zhuǎn)速控制，從高起動轉(zhuǎn)矩降低到低速，并在沒有外部設(shè)備的情況下限制電流和轉(zhuǎn)矩。為了提供這些先進的電機控制功能，變頻器需要特定的電機特性信息，例如電動機空載電流、電阻和電感。

為了獲得這些信息，變頻器可以通過簡單的電機調(diào)諧來運行，通過鍵盤輸入電機的基本銘牌數(shù)據(jù)，例如額定電流、電壓和轉(zhuǎn)速。受益于此控制的應(yīng)用包括攪拌機、洗衣機和沖床 / 沖壓機等。

閉環(huán)矢量控制增加了轉(zhuǎn)速反饋信號，可以最大程度地實現(xiàn)過程控制并減少維護工作。閉環(huán)矢量控制可實現(xiàn)低至 1RPM 的精確轉(zhuǎn)速 控制、零轉(zhuǎn)速下的高啟動轉(zhuǎn)矩、零轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。這些功能用于轉(zhuǎn)速偏差不能超過幾個 RPM 的場景，否則輸出將不符合其設(shè)計規(guī)格。

▎圖 3 ：加速 / 減速曲 線中的轉(zhuǎn)折點，出現(xiàn)在每個斜坡的起點和終點。在這些 點上，需要最大的扭矩或電流，才能 推動電機實現(xiàn)期望的運動。

例如，許多擠出機使用編碼器反饋來將電動機轉(zhuǎn)速精確的維持在所需的轉(zhuǎn)速下，以確保產(chǎn)品符合其規(guī)格。編碼器反饋還可以確保精確的扭矩監(jiān)控，以使變頻器對可能阻塞或損壞機器的高扭矩條件做出響應(yīng)。閉環(huán)矢量控制中需要使用與自感應(yīng)矢量控制相同的電機調(diào)整需求，以優(yōu)化電機控制并減少編碼器反饋所需的補償。 

變頻器對電機的特性了解得越多，電機運行的就越好。無論有無電機反饋都是如此。擠出機、高速錠子和恒張力放卷機等應(yīng)用都是利用了閉環(huán)矢量控制的優(yōu)勢。

大多數(shù)變頻器的控制設(shè)置中，已經(jīng)將最常用的應(yīng)用場景設(shè)為默認配置，因此對于任何變頻器安裝人員來講，真正需要編程設(shè)置的第一個參數(shù)往往是電機滿載電流或電機額定電流。在額定功率和額定電壓下，電機的設(shè)計允許以其銘牌上的額定電流連續(xù)運行。用電機的滿載電流額定值對變頻器進行編程，可為正在運行的電動機配置變頻器的電子熱過載。 

盡管變頻器是天然的軟啟動器，但電機仍可能會在短時間內(nèi)超過其額定電流，例如在啟動、沖擊負載、快速減速或超出循環(huán)期間。但是，長時間過高電流會導(dǎo)致電機過熱，從而縮短使用壽命和過早失效。由于負載或聯(lián)軸器的機械損壞，也可能發(fā)生轉(zhuǎn)子鎖定。隨著時間的流逝，負載磨損還會導(dǎo)致電流消耗增加，該電流可能超過電機的滿載電流。

為避免電機故障，將電機銘牌上的滿載電流設(shè)置為變頻器的電機滿載電流值。在變 頻器內(nèi)設(shè)置變頻器的電子熱過載，需要滿足 國家標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)對電機過載保護的要求。利用變頻器的電子熱過載保護，用戶可以消 除電機機械過載，從而降低成本，消除潛在的故障點以及任何與維護過載觸點完整性相 關(guān)的維護需求。 

變頻器的電子過載保護功能，可根據(jù)輸出電流、輸出頻率、電動機熱特性和時間來估算電動機過載水平。當(dāng)變頻器檢測到電機過載時，會觸發(fā)故障，關(guān)閉變頻器輸出以保護電機免受熱故障的影響。這些過載曲線可以根據(jù)電機的能力進行設(shè)置。很多泵、風(fēng)扇的電機，都是為可變轉(zhuǎn)矩負載而設(shè)計的，這意味著它們并不是為低于額定轉(zhuǎn)速時的額定 電流而設(shè)計的。 

降低連續(xù)過載，可以減少維護并確保最大限度地延長電機的使用壽命。變頻器預(yù)先配置了過載功能，以適應(yīng)不同的電機類型， 包括 40 ：1 轉(zhuǎn)速的可變轉(zhuǎn)矩負載，100 ：1 轉(zhuǎn)速的恒定轉(zhuǎn)矩負載和非常規(guī)電動機，例如永磁電動機。

變頻器是天然的軟起動器。當(dāng)速度改變時，它們可以減少浪涌電流。為此，變頻器根據(jù)預(yù)設(shè)的加速和減速時間來啟動和停止電機。這些時間或斜率定義了從零轉(zhuǎn)速到最大頻率所需的時間?？梢杂泄潭ㄋ俾?，也可以有多組速率，這些速率可以根據(jù)運行條件或發(fā)送指令給變頻器進行調(diào)整。 

使用適當(dāng)?shù)募铀俸蜏p速時間，將顯著減少啟動和轉(zhuǎn)速變化時的浪涌電流。這會延長電機（較少的熱量）和動力總成的壽命（較 少的動態(tài)高扭矩變化）。變頻器還將這些電流與線路隔離。因此，不需要由變壓器提供大的浪涌，因為這可能會導(dǎo)致不必要的發(fā)熱或影響其供電電壓，進而可能影響變頻器性能或系統(tǒng)上的其它負載。較低的浪涌電流意味著公用事業(yè)公司因電流 / 功率波動而收取的 費用得以消除。

變頻器加速和減速時間通常會根據(jù)其預(yù)期應(yīng)用設(shè)置默認值。風(fēng)扇 / 泵變頻器的斜坡時間會更長，而通用工業(yè)變頻器的斜坡時間則相對較短。這有助于簡化安裝過程。但是，并非所有默認設(shè)置都適用于每個應(yīng)用。需要調(diào)整這些斜坡時間，以將電流保持在變頻器和電機的限值之內(nèi)。 

由于負載的慣性，啟動 / 停止負載的速度可能比驅(qū)動 / 電機的當(dāng)前能力所允許的速度更快。劇烈的加速 / 減速率將導(dǎo)致更高的電流，這可能會對變頻器和電機造成負擔(dān)，并導(dǎo)致過載或過電流故障。設(shè)置正確的加速和減速時間可確保系統(tǒng)性能正常，同時確保無故障運行。 

加速 / 減速曲線中的轉(zhuǎn)折點，出現(xiàn)在每個 斜坡的起點和終點。在這些點上，需要最大的扭矩或電流才能推動電動機實現(xiàn)期望的運動。因此，在總斜坡時間需要保持較低的情況下，可以對這些點進行調(diào)整以減少總斜坡時間。這些點稱為加加速或 S 曲線時間調(diào)整。這些設(shè)置延長了加速或減速斜坡的高應(yīng)力點的時間，以減少對總體啟動 / 停止時間的影響。

變頻器在其運行的每個時刻都需要兩個參數(shù) ：運行指令和轉(zhuǎn)速參考。運行指令告訴變頻器應(yīng)該啟動電機，而轉(zhuǎn)速給定則為變頻 器提供運行頻率。要實現(xiàn)電機控制，兩個輸入都是必須的。否則，電機將空轉(zhuǎn)。在變頻器安裝過程中，參數(shù)設(shè)置是技術(shù)支持最常見的故障排除方法之一。

 設(shè)置變頻器的轉(zhuǎn)速和運行指令，更多地是關(guān)于選擇如何運行電機，而不是是否希望 電機運行。大多數(shù)制造商默認通過數(shù)字和模 擬輸入來運行其變頻器。觸點和繼電器將運行指令饋送給變頻器。然后使用模擬輸入將 轉(zhuǎn)速參考值輸入到變頻器。

這些模擬參考可 以是 0-10 V dc，+/-10 V dc，0-20 mA 或 4-20 mA 信號。每個參考源都有其自身的優(yōu) 勢。基準(zhǔn)電壓源易于生成且易于理解，而電 流信號傳播的距離更遠，且不受附近電噪聲的影響。其它控制方式可通過直接鍵盤控制或網(wǎng)絡(luò)通信來實現(xiàn)。這些參數(shù)均為變頻器提供了運行電機所 需的精確轉(zhuǎn)速。變頻器的電機速度控制基準(zhǔn) 越準(zhǔn)確，其能實現(xiàn)系統(tǒng)需求的精度就越高。精確滿足系統(tǒng)需求，意味著變頻器可實現(xiàn)更 高的節(jié)能效益。任何指令接口的目標(biāo)，都是實現(xiàn)系統(tǒng)所需的控制，以實現(xiàn)效率、質(zhì)量和安全性的最大化。

有許多外部條件，可能會導(dǎo)致變頻器超出其設(shè)計規(guī)格中所規(guī)定的運行條件。為了維持產(chǎn)品壽命并預(yù)防故障，變頻器可能會觸發(fā)故障以保護自身?？赡軐?dǎo)致變頻器故障的條 件，包括過快的啟動時間和停止時間、功率損失以及轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài)等。 

許多變頻器具有自動故障復(fù)位功能。此功能使變頻器可以檢測超出其預(yù)設(shè)范圍的工況，并觸發(fā)故障停機以保護自身、電機以及機械系統(tǒng)的其余部分。故障復(fù)位功能允許用戶檢測事件，如果故障工況已經(jīng)消除，則可將變頻器恢復(fù)為正常運行狀態(tài)。 

自動復(fù)位的目的是避免頻繁的故障停機，以保持連續(xù)運行。停機成本高昂，在確信事件無需停機時，自動復(fù)位功能可使系統(tǒng)保持運行，除非認證人員檢查后確認有必要停機。 

比如，雷暴引起的電壓尖峰。這些罕見的情況不需要進一步分析。在這種工況下，變頻器會停止運行，從而保護自身。自動復(fù)位功能使變頻器無需用戶干預(yù)即可重啟，從而節(jié)省了時間和成本。 

有多種方法可以實施變頻器技術(shù)來自動執(zhí)行電機控制需求。變頻器的設(shè)置可能很復(fù)雜，但是大多數(shù)應(yīng)用只需進行少量調(diào)整即可啟動和運行。此外，變頻器簡化了安裝過程。例如，可通過啟動例程或向?qū)?，引?dǎo)安裝人員通過問答菜單的形式，完成對變頻器的編程，以確保應(yīng)用可以滿足需求。變頻器的設(shè)計將越來越易于使用，并通過優(yōu)化效率、質(zhì)量和安全性來最大化其投資回報率。