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(jī)轉(zhuǎn)速。

通過變頻器，電機(jī)可廣泛應(yīng)用于各種場景，實(shí)現(xiàn)跨線操作或機(jī)械方式無法實(shí)現(xiàn)的控制。使用變頻器控制的電機(jī)，用戶可以通過匹配電機(jī)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(shí)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(jìn)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(huì)認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)這些功能需要對變頻器進(jìn)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(jī)運(yùn)行起來。這是因?yàn)樽冾l器的設(shè)計(jì)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(rèn)設(shè)置足以滿足應(yīng)用需求，無需進(jìn)行任何調(diào)整。如果應(yīng)用需要調(diào)整參數(shù)，一般不會(huì)超過12個(gè)。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(jī)運(yùn)行。了解下面5個(gè)重要的參數(shù)，可以優(yōu)化變頻器編程。

　

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(dòng)機(jī)。本文圖片來源：Yaskawa

1、控制方式

通常，需要變頻器安裝人員設(shè)置的第一個(gè)參數(shù)是控制方式。控制方式的選擇決定了變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)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。

V/f控制是最常用的電機(jī)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(shí)，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(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，也可以在無需恒定的電壓與頻率關(guān)系時(shí)降低轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的效率。

自感應(yīng)矢量控制是可以對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行更精細(xì)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(shí)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(dòng)機(jī)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(jī)控制。

閉環(huán)矢量控制是可用的最先進(jìn)的電機(jī)控制方法。閉環(huán)矢量控制使用電機(jī)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(dòng)機(jī)正在做什么以及它正如何響應(yīng)負(fù)載。

圖2：使用適當(dāng)?shù)募铀俸蜏p速時(shí)間，可以顯著減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流和轉(zhuǎn)速變化時(shí)的電流浪涌。

為什么要調(diào)整控制方式？

調(diào)整控方式是為了滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的需求。有些應(yīng)用很簡單，只需要以近似速度運(yùn)行，而有些應(yīng)用則需要精確和動(dòng)態(tài)的電機(jī)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(dòng)和運(yùn)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(jī)偏離轉(zhuǎn)速指令。轉(zhuǎn)速的輕微變化，幾乎不會(huì)影響整體的系統(tǒng)性能，因?yàn)槠渌?qū)動(dòng)程序會(huì)調(diào)整轉(zhuǎn)速以維持系統(tǒng)需求。

例如，如果要求風(fēng)扇以半速運(yùn)行并且無法維持需求，那么大多數(shù)系統(tǒng)配置就會(huì)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(jī)轉(zhuǎn)速。由于幾乎不需要編程即可實(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)將泵和風(fēng)扇設(shè)的運(yùn)行模式設(shè)置為默認(rèn)配置。這些默認(rèn)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(jī)，也可以充分利用V/f控制的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)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(hù)工作。例如，自感應(yīng)矢量控制將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1/200以內(nèi)，提供動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速控制，從高起動(dòng)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(jìn)的電機(jī)控制功能，變頻器需要特定的電機(jī)特性信息，例如電動(dòng)機(jī)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(jī)調(diào)諧來運(yùn)行，通過鍵盤輸入電機(jī)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(jī)、洗衣機(jī)和沖床/沖壓機(jī)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(shí)現(xiàn)過程控制并減少維護(hù)工作。閉環(huán)矢量控制可實(shí)現(xiàn)低至1RPM的精確轉(zhuǎn)速控制、零轉(zhuǎn)速下的高啟動(dòng)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(gè)RPM的場景，否則輸出將不符合其設(shè)計(jì)規(guī)格。

例如，許多擠出機(jī)使用編碼器反饋來將電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)調(diào)整需求，以優(yōu)化電機(jī)控制并減少編碼器反饋所需的補(bǔ)償。

圖3：加速/減速曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，出現(xiàn)在每個(gè)斜坡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。在這些點(diǎn)上，需要最大的扭矩或電流，才能推動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。

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

2、電機(jī)滿載電流

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(rèn)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(gè)參數(shù)往往是電機(jī)滿載電流或電機(jī)額定電流。在額定功率和額定電壓下，電機(jī)的設(shè)計(jì)允許以其銘牌上的額定電流連續(xù)運(yùn)行。用電機(jī)的滿載電流額定值對變頻器進(jìn)行編程，可為正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)配置變頻器的電子熱過載。

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

為避免電機(jī)故障，將電機(jī)銘牌上的滿載電流設(shè)置為變頻器的電機(jī)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(jī)過載保護(hù)的要求。利用變頻器的電子熱過載保護(hù)，用戶可以消除電機(jī)機(jī)械過載，從而降低成本，消除潛在的故障點(diǎn)以及任何與維護(hù)過載觸點(diǎn)完整性相關(guān)的維護(hù)需求。

變頻器的電子過載保護(hù)功能，可根據(jù)輸出電流、輸出頻率、電動(dòng)機(jī)熱特性和時(shí)間來估算電動(dòng)機(jī)過載水平。當(dāng)變頻器檢測到電機(jī)過載時(shí)，會(huì)觸發(fā)故障，關(guān)閉變頻器輸出以保護(hù)電機(jī)免受熱故障的影響。這些過載曲線可以根據(jù)電機(jī)的能力進(jìn)行設(shè)置。很多泵、風(fēng)扇的電機(jī)，都是為可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載而設(shè)計(jì)的，這意味著它們并不是為低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)的額定電流而設(shè)計(jì)的。

降低連續(xù)過載，可以減少維護(hù)并確保最大限度地延長電機(jī)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(jī)類型，包括40：1轉(zhuǎn)速的可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，100：1轉(zhuǎn)速的恒定轉(zhuǎn)矩負(fù)載和非常規(guī)電動(dòng)機(jī)，例如永磁電動(dòng)機(jī)。

3、加速和減速時(shí)間

變頻器是天然的軟起動(dòng)器。當(dāng)速度改變時(shí)，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(shí)間來啟動(dòng)和停止電機(jī)。這些時(shí)間或斜率定義了從零轉(zhuǎn)速到最大頻率所需的時(shí)間。可以有固定速率，也可以有多組速率，這些速率可以根據(jù)運(yùn)行條件或發(fā)送指令給變頻器進(jìn)行調(diào)整。

使用適當(dāng)?shù)募铀俸蜏p速時(shí)間，將顯著減少啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速變化時(shí)的浪涌電流。這會(huì)延長電機(jī)（較少的熱量）和動(dòng)力總成的壽命（較少的動(dòng)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?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致不必要的發(fā)熱或影響其供電電壓，進(jìn)而可能影響變頻器性能或系統(tǒng)上的其它負(fù)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(dòng)而收取的費(fèi)用得以消除。

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

由于負(fù)載的慣性，啟動(dòng)/停止負(fù)載的速度可能比驅(qū)動(dòng)/電機(jī)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(huì)對變頻器和電機(jī)造成負(fù)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(shí)間可確保系統(tǒng)性能正常，同時(shí)確保無故障運(yùn)行。

加速/減速曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，出現(xiàn)在每個(gè)斜坡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。在這些點(diǎn)上，需要最大的扭矩或電流才能推動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。因此，在總斜坡時(shí)間需要保持較低的情況下，可以對這些點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整以減少總斜坡時(shí)間。這些點(diǎn)稱為加加速或S曲線時(shí)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(diǎn)的時(shí)間，以減少對總體啟動(dòng)/停止時(shí)間的影響。

4、轉(zhuǎn)速和運(yùn)行指令

變頻器在其運(yùn)行的每個(gè)時(shí)刻都需要兩個(gè)參數(shù)：運(yùn)行指令和轉(zhuǎn)速參考。運(yùn)行指令告訴變頻器應(yīng)該啟動(dòng)電機(jī)，而轉(zhuǎn)速給定則為變頻器提供運(yùn)行頻率。要實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，兩個(gè)輸入都是必須的。否則，電機(jī)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(yùn)行指令，更多地是關(guān)于選擇如何運(yùn)行電機(jī)，而不是是否希望電機(jī)運(yùn)行。大多數(shù)制造商默認(rèn)通過數(shù)字和模擬輸入來運(yùn)行其變頻器。觸點(diǎn)和繼電器將運(yùn)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(gè)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(yuǎn)，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(shí)現(xiàn)。

這些參數(shù)均為變頻器提供了運(yùn)行電機(jī)所需的精確轉(zhuǎn)速。變頻器的電機(jī)速度控制基準(zhǔn)越準(zhǔn)確，其能實(shí)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(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能效益。任何指令接口的目標(biāo)，都是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的控制，以實(shí)現(xiàn)效率、質(zhì)量和安全性的最大化。

5、故障復(fù)位

有許多外部條件，可能會(huì)導(dǎo)致變頻器超出其設(shè)計(jì)規(guī)格中所規(guī)定的運(yùn)行條件。為了維持產(chǎn)品壽命并預(yù)防故障，變頻器可能會(huì)觸發(fā)故障以保護(hù)自身。可能導(dǎo)致變頻器故障的條件，包括過快的啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)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(dòng)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(jī)以保護(hù)自身、電機(jī)以及機(jī)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(yùn)行狀態(tài)。

自動(dòng)復(fù)位的目的是避免頻繁的故障停機(jī)，以保持連續(xù)運(yùn)行。停機(jī)成本高昂，在確信事件無需停機(jī)時(shí)，自動(dòng)復(fù)位功能可使系統(tǒng)保持運(yùn)行，除非認(rèn)證人員檢查后確認(rèn)有必要停機(jī)。

比如，雷暴引起的電壓尖峰。這些罕見的情況不需要進(jìn)一步分析。在這種工況下，變頻器會(huì)停止運(yùn)行，從而保護(hù)自身。自動(dòng)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(shí)間和成本。

有多種方法可以實(shí)施變頻器技術(shù)來自動(dòng)執(zhí)行電機(jī)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(jìn)行少量調(diào)整即可啟動(dòng)和運(yùn)行。此外，變頻器簡化了安裝過程。例如，可通過啟動(dòng)例程或向?qū)В龑?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(jì)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(bào)率。