一、引言

　　交流變頻調速是集電力電子、自動控制、微電子學和電機學等技術之精華的一項高新技術，自問世以來倍受矚目。它以優異的調速性能、顯著的節電效果和廣泛的適用性而被國內外公認為世界上應用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案。隨著計算機技術、微電子技術和電力電子技術的發展, 變頻技術得到了迅速提升, 應用日漸廣泛。變頻調速在調速范圍、調速精度、動態響應、輸出轉矩、智能控制、節約電能等方面的優異性能，是其它交流調速方式無法比擬的，特別是在節約能源及提高產品質量、提高設備的效率方面, 獲得了很好的經濟效益和社會效益。

　　二、變頻技術的發展

　　隨著生產技術的不斷發展，直流拖動的薄弱環節逐步顯露出來。由于換向器的存在，直流電機的維護量加大，單機容量、最高轉速以及使用環境都受到限制。人們開始轉向結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的異步電動機。但異步電動機的調速性能難以滿足生產的需要。于是，從20世紀30年代開始，人們致力于交流調速技術的研究，然而進展緩慢。在相當長的時期內，直流調速一直以其優異的性能統治著電氣傳動領域。20世紀60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術、控制技術和微電子技術的飛速發展，使得交流調速性能可以與直流調速媲美。目前，交流調速已進入逐步代替直流調速的時代。

　　20世紀80年代, 脈寬調制變壓變頻(PWM —VVV F) 調速研究引起了人們的高度重視， 并得出諸多優化模式, 其中以鞍形波PWM 模式效果最佳。20 世紀80年代后半期開始, 美、日、德、英等發達國家的VVV F 變頻器已投入市場并廣泛應用，但它的靜態調速精度較差。

　　之后出現的轉差頻率控制變頻是根據速度傳感器的檢測, 可以求得轉差頻率△f , 再把它與速度設定值f相疊加,以該疊加值作為逆變器的頻率設定值f1 , 實現轉差補償。與VVV F 相比, 其高速精度大為提高。但是, 使用速度傳感器求取轉差頻率, 要針對具體電動機的機械特性調整控制參數, 因而這種控制方式的通用性較差。

　　矢量控制變頻技術的做法是: 根據交流電動機的動態數學模型, 利用坐標變換的手段, 將交流電機的定子電流分解成磁場分量電流和轉矩分量電流, 并分別加以控制, 即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，對電動機的磁場和轉矩分別進行控制, 以獲得類似于直流調速系統的動態性能。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義，然而在實際應用中, 由于轉子磁鏈難以準確檢測, 系統特性受電動機參數的影響較大, 且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜,使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

　　1985年, 德國魯爾大學的DePenb rock 教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足, 并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前,該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。

　　直接轉矩控制變頻是利用空間電壓矢量PWM 控制電動機的磁鏈和轉矩實現的。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機, 因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制, 也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

　　矩陣式交-交變頻, 省去了中間直流環節, 從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l, 輸入電流為正弦且能四象限運行, 系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟, 但仍吸引著眾多的學者深入研究。

　　三、變頻技術的應用

　　變頻技術主要應用在以下幾個方面：

　　3.1 節能

　　我國的電動機用電量占全國發電量的60％～70％，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用變頻器來調節流量、風量，應用變頻器節電率為20％～50％。與此類似, 許多變動負載電機一般按最大需求來設計,設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，效率低下，造成電能的大量浪費。如采用變頻調速, 可大大提高輕載運行時的工作效率。因此推廣交流變頻調速裝置效益顯著。

　　作為節能目的, 變頻器廣泛應用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調、水處理等行業中。以電力行業為例, 由于中國大面積缺電, 電力投資將持續增長,同時, 國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求, 降低內部電耗成為電廠關注焦點, 因此變頻器在電力行業有著巨大的發展潛力, 變頻器的節能應用前景非常廣闊。

　　3.2 工藝控制(速度控制)

　　由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動態響應好等優點, 在許多需要精確速度控制的應用中, 變頻器正在發揮著提高工藝質量和生產效率的顯著作用。以紡織行業為例, 中國具有世界最大的紡織產品生產能力, 市場范圍遍及全球, 產業規模龐大。紡織與化纖行業也是變頻器應用最多的行業。在最常見的化纖機械設備中, 選用變頻器的設備有螺桿擠出機、紡絲機和后加工機等。選用變頻器較多的棉紡設備主要有細紗機、粗紗機、精梳機等。這些設備都要求精確速度控制、多單元同步傳動或比例同步(牽伸) 傳動等。應用變頻器可以提高工藝要求、提升產品質量, 同時減輕工人的勞動強度, 提高生產效率。可以說, 變頻器是紡織行業增強國際競爭能力的重要裝備。

　　此外, 在食品、飲料、包裝、造紙、機床、電梯等行業, 國內的企業需要擴大生產規模, 提高生產技術, 變頻器的應用前景和發展潛力都不可小覷。

　　3.3 軟啟動

　　交流電動機的啟動電流一般為5-7倍額定電流，如果直接啟動會對電網引起沖擊，影響同一電網上其他電氣設備的正常運行。另外巨大的啟動電流對電動機和機械設備也會造成嚴重的電磁應力和機械應力，縮短設備的使用壽命，因此電力系統希望能夠軟啟動（特別是高壓大容量電動機）。某些加工機械，例如自動流水生產線（瓶、罐包裝線，輸送機等），要求平穩啟動和停車以免相互碰撞倒歪；水泵為了防止水錘、喘振現象，也希望軟啟動和軟停止（最好是“泵控特性”專用的軟啟動和軟停止）。

　　變頻器可以調整通過輸出電壓的頻率，從低頻開始，一直調到額定頻率，從而實現電機的軟啟動/停止，降低啟動/停止沖擊。

　　3.4 變頻家電

　　在普通家庭中, 節約電費、提高家電性能、保護環境等受到越來越多的關注, 變頻家電成為變頻技術應用的另一個廣闊市場。它在節能、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度、延長使用壽命等方面有很大的優勢。以變頻微波爐為例, 它是以變頻器替代了傳統微波爐內的變壓器, 變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉換成為20000～ 45000Hz 的高頻率, 通過改變頻率來得到不同的輸出功率, 解決了傳統微波爐加熱不均勻的弊端, 實現了真正意義上的均勻火力調控。除此之外, 與傳統微波爐相比, 變頻微波爐還具有機身輕巧、噪音小、烹飪速度快、節電等特點。

　　目前, 中國是世界上最主要的家電供應國, 但家電采用變頻器的比例很低, 而在日本, 90% 以上的家電是變頻控制。因此, 變頻家電具有非常大的發展潛力。

　　四、變頻器的試驗要求

　　近年來，交流變頻調速技術在我國有了突飛猛進地發展，我國的變頻器產業從無到有不斷壯大，發展迅速。據統計，我國現有大大小小的變頻器生產廠70多家，年銷售額在7億元左右，但這只占全國變頻器市場容量的一小部分，80%~90%的國內市場被各種國外變頻器所占領。回顧我國變頻器的發展歷程，結合我國國情開發出性能優越、適銷對路的產品，逐步擴大市場份額，是國人的期盼。而市場經濟是依靠法規形式來規范、協調市場行為的，標準也將作為法律、法規的技術支撐來參與規范和調控市場。只有及時地了解先進標準的發展水平，制定符合我國國情的標準，提高企業的標準化意識，才能提高產品質量，推進行業的發展和進步。

　　全國電力電子學調速電氣傳動系統半導體電力變流器標準化技術委員會是在國內外電氣傳動調速產品迅速發展的形勢下于2000年成立的，秘書處掛靠在天津電氣傳動設計研究所，負責國家電氣傳動調速系統技術領域內的標準化技術工作的組織及歸口，涉及的產品主要是國民經濟基礎工業交直流電氣傳動設備。目前已制訂了6項電氣傳動調速系統的國家及行業標準：GB/T3886.1-2002、JB/T10251-2001、GB/T12668.1-2003、GB/T12668.2-2003、GB/12668.3-2004、GB/T12668.4。此外，GB/12668.5、GB/12668.6正在進行最后階段的審批。

　　變頻器的試驗類型包括型式試驗、出廠試驗、抽樣試驗、選擇試驗、車間試驗、驗收試驗、現場調試試驗、目擊試驗。

1） 型式試驗：對按照某一設計制造的一個或數個部件進行的試驗，用于說明該設計滿足特定的技術要求。
2 ） 出廠試驗：在制造期間或制造之后對各個部件進行的試驗，用于確定其是否符合某一準則。
3） 抽樣試驗：在一批產品中隨機抽取的一些部件上進行的試驗。
4） 選擇試驗：除型式試驗和出廠試驗之外，按照制造廠之意，或經過制造廠和用戶或其代理人協商而進行的試驗。
5） 車間試驗：為了驗證設計，在制造廠的實驗室里對部件或設備進行的試驗。
6） 驗收試驗：合同上規定的、用以向用戶證明該部件滿足其技術規格中某些條件的試驗。
7） 現場調試試驗：在現場對部件或設備進行的試驗，用于驗證安裝和運行的正確性。
8） 目擊試驗：在客戶、用戶或其代理人在場的情況下進行的上述任何一種試驗。

變頻器標準試驗項目見表4-1：

　　表4－1

　　其中電氣試驗方面主要的是測量變頻器的輸入、輸出值，主要包括以下幾個值：

　　1）輸入值
                  ──額定輸入電壓；
                  ──額定輸入電流；
                  ──輸入頻率；
                  ──額定容量；
                  ──有功功率；
                  ──功率因數；
                  ──相數；
                  ──輸入各次諧波；
                  ──輸入總失真度。

　　2）輸出值
                  ──最大額定輸出電壓；
                  ──額定連續電流；
                  ──額定功率；
                  ──頻率范圍；
                  ──過載能力（過載能力適用于額定的轉速范圍）；
                  ──輸出各次諧波；
                  ──輸出總失真度；
                  ──相數；
                  ──輸出相序。

 

　　3）效率

　　在設計的頻率范圍內，各個頻率下的效率。[next]

　　五、變頻器的測量與儀器

　　1、 測量儀器儀表簡介

　　目前常見的測量儀表很多，這里僅介紹幾種常見的儀表。

　　1) 動鐵式儀表

　　這種儀表測量的是有效值，它的值由固定線圈磁場與其內可動鐵之間相互作用的電磁力所確定的偏轉角度而確定。讀數誤差由動鐵的磁飽和以及諧波對線圈內電感的影響引起。儀表精度一般是0.5級。

　　2) 整流式儀表

　　交流電流經整流然后作用于動圈式直流表，按交流電流的有效值確定刻度。其有效值是由整流平均值乘以波形系數求出的。市場上可買到的該種儀表基本是用于測量正弦電流的。而正弦電流的波形系數是π／(2 )=1．11。因此在測量非正弦電流的波形時．應該注意波形系數。典型的儀表精度是1.0級。

　　3) 熱電式儀表 
 
　　溫升與測量電流產生的熱量成正比，這個溫升被熱電偶轉換為直流電動力，其電流有效值由直流毫伏表指示。

　　4) 電動式儀表 

　　電流指示值具有均勻的刻度，其指針偏轉角度等于兩個線圈間的力，也就是它的驅動轉矩(Im×IF×dT／dθ）電流IF是與負載串聯的固定線圈內的電流；電流Im正比于動圈中的電壓)。典型精度為0.5級。

　　5) 諧波分析儀

　　輸入信號經高速A/D采樣，經過數字運算，將數據存儲于緩沖存儲器內，結果顯示在屏幕上。可測量電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等，以及進行諧波分析，測量顯示電壓、電流、功率等的基波值和各次諧波值，并顯示其曲線。

　　目前最常用的變頻器主電路一般為交—直—交組成，外部輸入工頻電源，經三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。在整流回路中接有大電容，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形可進行DFT變換分解為基波和各次諧波。在逆變輸出回路中, 輸出電壓信號是受PWM 載波信號調制的脈沖波形，輸出回路電壓信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波。其他類型的變頻器也類似，輸入、輸出都不是標準的正弦波，有較多的高次諧波含量。因此，在測量儀器的選擇上，與傳統的測量就有所不同。

　　一些傳統的儀表一般不適合變頻器的測量。目前特別適于變頻器測量的儀器是諧波分析儀，主要型號有日本橫河（YOKOGAWA）的WT系列諧波分析儀，如WT1600、WT3000等產品。這類產品，不僅可以測量出基本的電參數，并且針對變頻器做了一些特殊設計，比如測量模塊比較多，可以同時測量輸入、輸出參數，進行諧波分析，測量真功率因數，而且帶寬比較寬，可以從DC到1MHz，精度也很高，一般可以達到0.15級或0.02級。顯示也很方便，可以顯示數值、波形、諧波柱狀圖、三相矢量圖等。同時，也可以測量變頻器驅動的電機的機械輸出，如電機轉速、扭矩等，這樣可以更方便的測量變頻器的驅動能力及驅動效果。可以說，一臺WT系列的諧波分析儀可以替代一堆傳統儀表，提高了測量的準確度、方便性，從而大大提高測試的效率。

　　2、 變頻器測試

　　對變頻器進行測試的電路如圖5－1所示。

　　圖5－1測試電路圖

　　此測試電路是一個完整的變頻器測試方案，包括三相電源輸入、三相輸出、驅動的電機的機械輸出（轉速、扭矩）等。如果被測的變頻器功率較大，輸入、輸出電流超過了儀器的量程，就需要在電流的測量回路里接入CT（電流互感器），把被測電流轉變成儀器的測量量程內。

　　測試電路里的諧波分析儀是橫河公司的WT1600（如圖5－2）。該儀器有6個模塊，可以同時輸入6個電壓、6個電流，同時有電機測試模塊，可以測量電機的轉速、扭矩等。一臺WT1600不僅可以測量變頻器的輸入、輸出電壓、電流、功率、效率等參數，還可以測量電機的扭矩、轉速、滑差、機械輸出功率、電機效率等，以及變頻器系統的總效率。

　　圖5－2 WT1600諧波分析儀背面圖

　　1） 輸入側的測量

　　變頻器輸入電源是50Hz交流電源，其測量基本與標準的交流工業電源的測量相同，但是由于變頻器的輸入側是整流電路，電流的波形一般不是標準的正弦波。典型的輸入波形如圖5－3。如果輸入電壓或電流較大，超過了諧波分析儀的測量量程，可以接入VT或CT。但要注意，由于電流不是正弦波，含有較多的諧波含量，因此，CT選擇時要考慮頻率范圍。

　　圖5－3輸入電壓、電流波形

　　輸入功率的測量可以采用2表法（3P3W），即測量兩個電壓線電壓Vab、Vcb和2個電流Ia、Ic，從而計算出輸入有功功率、功率因數等數據。但是，由于輸入端生產設計引起不平衡的，特別是小容量的變頻器，其中的一相里往往有變頻器本身的消耗，造成三相電流不平衡。這樣要測量三個線電壓、三相電流，即3V3A法才能夠保證測量結果的準確性。

傳統的有功功率的計算公式為：

　　P＝ Urms × Irms × cosφ              （5－1）

式中：

• P：有功功率
• Urms：電壓有效值
• Irms：電流有效值
• φ：電壓電流夾角

　　但是，變頻器的輸入電流包括高次諧波，很難測量出相位角，按傳統公式計算會產生較大誤差。

　　橫河（YOKOGAWA）的WT系列的諧波分析儀，使用數字采樣方法。該法對指定的有效采樣周期內獲取的瞬時波形數據的總和進行平均。總和由樣本數N平均，得出一個功率值（如圖5－4）。

　　圖5－4 電壓、電流、功率采樣結果

　　計算公式為：

　　（5－2）

式中：
u(t)：時刻“t”的電壓瞬時值
i(t)：時刻“t”的電流瞬時值
Δt：采樣時間間隔
N ：總采樣樣本數

　　相應的，標準正弦波的功率因數PF＝cosφ。對于變頻器來說，PF＝P/S。

　　對于三相系統來說，功率因數的計算公式為：

　　（5－3）

式中：
ΣPF：三相功率因數
ΣP：三相有功功率
ΣS：三相視在功率

　　但是，對于不同的測量方式，ΣΡ和ΣS的計算公式是不一樣的。對于不平衡電路來說，我們一般采用3V3A法測量，因此計算公式如下：

　　（5－4）

式中：
ΣPF：三相功率因數
P1：第一路有功功率
P2：第二路有功功率
S1：第一路視在功率
S2：第二路視在功率
S3：第三路視在功率

　　采用諧波分析儀對各次諧波進行分析，然后對系統進行綜合分析判斷。

　　電壓總的畸變率Uthd：

　　（5－5）

式中：
U（1）：基波電壓
U（k）：k次諧波電壓
Max：最大諧波次數

　　電流的總畸變率Ithd：

　　（5－6）

式中：
I（1）：基波電流
I（k）：k次諧波電流
Max：最大諧波次數

　　作為對低壓配電線的高次諧波的管理指導值，電壓的總畸變率應在5％以下。所以當Uthd為5％以上時，請接入交流電抗器或直流電抗器，以抑制高次諧波電流。

　　2） 輸出側的測量

　　變頻器的輸出波形見圖5－5，是頻率可變的信號，含有較多的高次諧波，而電動機轉矩主要依賴于基波電壓有效值。因此，需要測量的電壓值，或者說一般變頻器的額定電壓值是基波有效值。對PWM類型的變頻器來說，PWM電壓的整流平均值正比于其輸出電壓基波有效值。日本電機學會(JEMA)規定：使用平均整流方法來計算有效值，因為該值更合適地反映了驅動電機的輸出轉矩。

　　圖5－5 變頻器輸出波形

　　平均整流值的計算公式為：

　　（5－7）

　　校正后的平均整流值值的計算公式為：

　　（5－8）

　　校正后的值指的是當測量對象是正弦波時，校正值等于有效值。橫河公司的WT1600等WT系列諧波分析儀，可以同時測量有效值、整流平均值等數值，用戶可以根據需要進行方便的選擇。

　　輸出電流、輸出功率、功率因數等的測量方法，與上面說的輸入側基本相同，就不再贅述了。

　　變頻器的效率為：

　　（5－9）

式中：
η：變頻器效率
ΣPout：變頻器輸出有功功率
ΣPin：變頻器輸入有功功率

　　WT1600還可以測量電機的機械輸出，可測量電機的速度和扭矩傳感器的輸出，然后計算扭矩、旋轉速度、機械功率、同步速度、滑差等，實現在一臺儀器上測量電機效率與總效率。

　　六、結束語

　　隨著變頻技術的發展，對測量也提出了更高的要求。而測量儀表廠家，也根據變頻器的發展和需求而進行進一步的儀器開發，不斷推出新產品，以滿足測試的新需求。比如目前變頻技術的日益復雜化，一些非標準的正弦調制的PWM波形出現，經常發生輸出電壓的整流平均值與基波有效值不相等的情況，針對這種情況，橫河公司推出WT系列的最新型號WT3000，在不改變測量模式的情況下，改進了設計，使其可以同時測量常規項目如整流有效值以及諧波如基波有效值等，從而使用戶可以自己進行數據對比。

　　總之，產品與測量手段是相輔相成、互相促進的，二者都會隨著技術的發展而推陳出新。

　　參考文獻

　　1． 趙相賓 郭保良  《低壓變頻器的參數額定值和試驗要求》

　　2． 張燕賓   《SPWM變頻調速應用技術》中國電力出版社 2001