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变频器质量判断的十个技术标准
变频器质量判断的十个技术标准
[来源：变频技术应用]
[作者：张选正]
[日期：2012-01-05]
1.概述
变频器问世已有1/4世纪以上的历史了，在德国、日本、美国、法国将近达三十年，在中国亦有二十年的历史时光。变频器具有以下独特的优点。
（1） 调速性能好及调速性能广 输出频率可达0-400Hz，通用型为0-120Hz，水泵风机调速精度高达0.1%，因频率分辨率是0.1%且是无级调速，用矢量控制的时精度可达0.01%。速度的稳定性好，被设定值不变，动态响应快，可达10-30ms级等优点。所以问世后几乎取代过去一切的调速系统-直流调速，滑差调速，串级调速，绕线式转子内反馈调速等方法。
（2）节电率较高 一般至少可达10%，甚至40-50%，看负载类型及使用的工况运行参数，以及实施节电方法与措施，有关运行参数设定等。
正因为上述二大突出优点，所以变频器以每年20%的递增率在发展着，到目前国外使用普及率高达80-85%，国内使用普及率达25-30%，这是节能降耗、低碳排放、增加效益、减少成本、提高产品质量、实现电气化的有效手段和方法，预估以后20年仍不会衰减，具有强大的生命力，发展前景十分美好。
2.产品的技术品位
变频器的技术品位的高低是逐步发展而成型的，随着使用要求的提高及技术的发展，器件的品质，功能的扩展，自动化技术的进步二逐步前进的。判断变频器的质量可以从以下十个要点进行考虑。
2.1变频器的控制方式
控制方式是决定变频器性能的首位，它取决于软件编程技术。随着时代的前进，技术发展，变频器控制方式有以下4种方式。
（1）V/f=C属于环控制；
（2）SVPWM空间电压矢量控制，属于环控制；
（3）矢量控制VC，属闭环控制，有电流i，磁通Ø，转矩T，转速n四种；一般内环是Ø、T、i任选一种，外环是n（或w）
（4） 直接转矩控制DTC属闭环控制，在n=0时可有400%Te 。
2000年后国际出现无反馈装置的变频器，即不需要另外加装传感器或编码器，利用变频器在工作时的电流、电压、磁通、转速变化，通过检测、解耦等方法，反馈到输入端。这种方法是用方便，功能不亚于有速度传感器反馈装置的变频器。
2.2独特的集中变频器的控制方法
1）优化PWM矢量控制
正弦脉宽调制SPWM具有电路简单、线性度好的优点，但输出电压不高，最大线性输出电压幅值仅为输入电压的/2≈0.8666，其实质是相电压控制法。优化PWM矢量控制模式采用双调制过程，即三角波相位预调及调制信号（0~50HZ）的幅值共同调节来控制1GBT的开关工作状态，方法是通过开关角α（30°~60°）及调制深度α=正弦波幅值/三角波幅值<0.95。特点是总谐波电流损耗小，脉动转矩小。当α=0.92~0.95时，谐波损耗最小，尤其当载波频率较低时，能充分显示出其优越性，表现为输出电压提高约20%，谐波减小，但信号波调制深度与开关角之间的线性度受到影响，随着α加大电压受控性变小，但总谐波电流失真THD值仍较小，因此常被选用。
2） PWM的调制方式控制
（1）同步控制
在一个调制信号周期内包括三角波的个数不变，在改变信号周期的同时成比例改变载波周期，使fΔ/fs=C >3,且必须是奇数。在开关频率较低时，可以保证输出波形的对称性，但在较低频率时，载波数量显得稀疏，从而产生电流波形脉动谐波加大，因此只使用f>20HZ频率段工作，目前的V/f方式即如此。
（2）异步控制
调制信号周期变化的同时载波周期仍保持不变，即fΔ/fs≠C，这种调制特点是在低频工作时对减小谐波损耗及转矩脉动大有改善，适用于f<20HZ低频工作段。
（3）随机控制
按调制信号的周期及输出的电压值，能自动选择调制方式与调制深度α及开关角α，以适应工作频率变动幅值较大、负载转矩或功率变动大及有冲击性的闭环系统。这种调制方式是从根本上解决SPWM在低频工作段存在先天不足，即转矩变小、转矩脉动、谐波较大的缺点，但软件技术上有一定难度，国内外这类调制方式的产品，今年独有深圳康沃公司的变频器是采用同步、异步、随机调制方式，与众不同,性能较佳。台湾东元JA系列变频器有3R型，仅采用异步调制方式。
3） 按电动机U型特性曲线与V/f配合方式的控制
众所周知，V/f控制是静态的调压，即当f一定时，电压也一定了，它没有按电动机负载率β的大小进行最佳控制，日本AREX公司10年前获得世界公认的超能士节能控制器，多了一个环节，可按实际的负载率β来自动搜索（通过专用集成电路），输出最小的工作电压和最小工作电流（U型特征曲线），因此是最节电的，比一般变频器在相同工况条件下，能多节点8%-10%，而且c≈1，是个动态调功控制器，特别适用风机、水泵类负载。近年为扩大适用范围，适用调速需要，新品种为VMX系列。后来，日立J300系列变频器在节能运行时也有此功能。
4） 模糊控制方式
模糊控制（FUZZY）的方式是按电动机参数及运行状态，通过模糊控制方法控制，特别适用通用单片机如8031等为CPU的场合应用，模糊控制软件简化，不要数学模型，又可对多变量实时控制，随机变量能达一定精度要求，在冰箱、空调、洗衣机、微波炉等家电应用较广。当然模糊控制也适用变频器的控制，如Vacon变频器就采用模糊电流矢量控制。
5） 自整定（电动机参数在线测量控制）
如日本富士变频器，能自动补偿不同电动机容量的绕组的电阻及电感值随工作电流的大小、不同温度大小造成的影响。
6） 绿色无谐波
如丹佛斯VLT，每个变频器装有源滤波器，是输出谐波最小，≈1，效率达98%
2.3未来发展的几种控制方式
1）智能型控制方式
（1） 以变频器、电动机、负载（风机、水泵等）的三个效率乘积最大为依据，通过模糊控制技术后，输入到变频器。
（2） 加装无源滤波器，主要消除5次、7次的逆序谐波，使变频器的THD指标值低于谐波标准，几乎接近为零，这样≈1，真正实现无谐波绿色变频器的愿望，在不同的负载率条件下，系统效率高达90%以上，采用先进的滤波技术，使输出谐波含量低于国家标准。功率因数达到0.96以上，动态响应时间不大于30ms，总之在相同工况条件下能够多节电量10%以上。
2）双PWM型控制方式
当今电压型 交-直-交的主电路应用十分广泛，SPWM调制仅用在逆变器部分，而整流器是三相不可控的。因输入有谐波存在也较低，损耗较大，对电网有一定影响。随着变频器的广泛应用，对电网的谐波污染问题又提到议事日程，有学者认为采用双PWM控制，即整流器也采用可控IGBT的SPWM方法是有效的，从理论分析≈1，无谐波，有绿色变频器的美称，并能实现回馈再生制动。
3）采用矩阵开关控制方式
指逆变器DC/AC变换器采用矩阵开关方式。矩阵变频器具有，无中间直流环节，输出电压幅值、相位和频率可调等优点，具有良好的变频能力，输入≈1，输出电流波形好，谐波小，矩阵变频器是一种直接 交-交变换。开关器件为全控器件SCR，控制为斩控方式。交-交变频器则采用移相控制SCR，实现交流电流与交流电机之间功率直接变换，可实现能量双向流动。变频效率高，但存在输出工作效率低的缺点，它与双PWM性能类似。
4）采用软开关控制方式
指逆变器DC/AC变换器以开通在电压u=0,断开在电流i=0的状态下进行。这样IGBT功率损耗最小，理想值为零，结温最低，大大减少工作过程的发热量，使散热器及风量减少到最小程度，可使用量大大提高。
2.4功率模块
逆变器DC/AC变换使用器件，它是变频器的重要的组成部分，其模块的质量对变频器至关重要，其器件的价值要占变频器总价值的50%左右，所以值得引起制造厂及用户的关注，是理所应当的。当今低压或高压变频器常用功率模块有IGBT、IGBT-HV、SGCT、IEGT、SiC等。在这个问题上要注意如下几点。
（1） 模块的封装形式有单个（中，大功率）或IPM、PLM组合方式。
（2） 使用的安全系数，电压3-5倍的额定电压，电流3-5倍的额定电流，河阳静态工作时器件负担小，动态工作时亦有足够的裕量，确保使用时有较大的安全可靠性，这点在国外的产品中是这样的，所以主电路的功率模块，损坏率几乎为零，然而国内的有的产品的电压只有2-3倍额定电压，电流2-3倍额定电流。这时静态工作时亦没事，但动态工作时，往往因安全系数偏小，造成器件损坏可能性就高了，约为2%-3%。特别是高压变频器，电压该3kv、6kv、10kv，电流亦较大，而IGBT采取串、并联连接方式，这时必须关心静态均压及动态均压的方式，使用电阻、电容器的耐压、电流、功率值安全系数过小了，不但引起保护电路器件的损坏，而且容易引起功率模块本身的损坏。
2.5整流模块
整流模块即AC/DC整流用，虽然较简单，但亦存在如上述2.4节论述中同样的问题，应该的注意点。
2.6微处理器
微处理器或称CPU，是变频器的核心器件，其重要性不喻可知，好比是人体的大脑和心脏，至关重要。早期国产变频器多数选用美国Intel公司16位的87C196MC为主，另有日本日立HD6433037F10等，德国相对较少些。近几年一般不用专用IC芯片，ASIC而改用信号微处理器，一则货源多，二则价位低，三则性能更好，四则是32位的其抗干扰能力更强，运算速度更快，实时性更好，信息量更大，例如美国德州仪器公司的TMS320F206芯片等，这也是评判变频器质量的重要指标之一，是当之无愧的事。
2.7交-直-交变频器主电路
在交-直-交变频器主电路中，滤波电容器亦是关键器件之一，它亦是损器件之一，正常寿命3-5年。当电容器的容量≤85%时，使用中发现膨包、漏液、过温（外壳发黄）时，必须更换，否则影响使用，表现为直流电压变小，不稳定，带负载后输出力矩变小，不稳定，这都与电容器质量有关，过去多数制造厂采用德国或日立的电解电容器，但价格较贵，以选用中国南通海立牌质量不错，价位适中，是中日合资生产的，颇受欢迎。
2.8制造的工艺性
相同的电路结构，相同的元器件质量，由于制造工艺性不到位，亦要影响产品质量，表现为故障多，特别是高压、大电流、大功率的变频器，工艺性亦是很重要的，表现如下：
（1）相间、对地的安全距离；
（2）铜排比铝排好，铝易氧化，导电率小，易发热过温，结点接触不良；
（3）连接螺栓要用发蓝或镀锌的，防氧化；
（4）大电流的螺栓要用力矩扳手，按规定扭矩紧固，必要时连接处贴温度测试片，以测量实际温度，预防松动，并定期检查；
（5）大电流的铜排或铝排采用双叠层结构，以减少分布电感量，对减少杂散损耗，稳定工作参数都有利的；
（6）通风通道的分布是否合理；
（7）插接件国外都选用镀银或镀金的，而国内往往是镀锌或铜的，这样容易氧化，尤其在湿热、高温使用环境中更应注意的，主电路的接线端子亦要注意。
2.9印刷板PCB的质量
印刷板亦是重要质量的一部分，目今多数的厂商都采用贴片元件SMT组装、波峰焊接、个别的还有分离元件手工焊接的。使用中印刷板的孔化空尤为重要，否则易造成使用中，因温度升高，孔化空接触不良，以致正反面空洞间、中间断裂亦有发生。印刷板要选用环氧树脂的或ABS工程塑料的基板，线条要光滑、粗细匀称、边缘无毛刺，要经镍融处理，表面光亮平整，印刷板二面都要喷涂一层防潮涂液，在特别湿热的环境中应要有防潮处理，通风机入口要干燥处理。
2.10稳定和可靠是首位
变频器的控制电路和其它的电子电路一样，都是低电压、mA级电流，因此是较为脆弱的，为保证其稳定和可靠的工作，对工作环境、温度、湿度都有一定要求，并要加强定期维护，是十分关键的事，故不可粗心大意，造成事故的恶化、扩大，因小失大，后果不堪设想，造成重大损失，例如IGBT烧坏，整流二极管烧坏，电动机烧坏诸似此类事故的产生。
3结语
先进技术与稳定可靠的关系是辩证的统一，因此我们在选用变频器时，不要一味追求先进的电路、先进的控制方式为主导思想。实际上只要满足使用要求，电路越简单越好，要以稳定和可靠为首位，只要适用，价格亦低的原则，能简则简为主导，不要贪大求洋，只要进口名牌，国产变频器现在亦不错，且具有价格较低，维修方便，服务周到，配件易购，随叫随到，一呼就应，不误生产，优势很多，为发展民族工业的振兴，从制造走向创造，我们一起努力吧！
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