1.12 中、高壓變頻器的選擇

變頻器的正確選擇對于控制系統的正常運行是非常關鍵的。

變頻器具有較多的品牌和種類，價格相差也很大，要根據工藝環節的具體要求選擇技術成熟、運行可靠、性價比相對較高的品牌和種類。

用于一般場合的為通用（或標準）變頻器，除此以外，還有高性能變頻器及為滿足各行業不同應用特點而設計的專用變頻器，例如風機、泵類專用變頻器，用于下行膠帶輸送機的四象限運行變頻器等，專用變頻器和通用變頻器的不同點、特殊要求和性能特點在后文進行介紹。用戶可根據自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器，此處主要介紹變頻器的一般選擇方法。

通用變頻器的選擇，要充分考慮負載類型、起動轉矩的要求、負載要求的調速范圍、負載轉矩的變動范圍和工作環境，然后選擇變頻器的類型、防護結構、額定輸入輸出參數、控制參數、電流和容量。變頻器規格選擇時應注意根據要求采用合適的方式和計算公式，根據工程實際情況確定具體調速方案，包括逆變器與電動機的對應關系、整流器與逆變器的對應關系（是否采用成組驅動）、起動和制動部分的結構形式及配置規模、采用何種控制方式等，其中包括一些控制精度、控制參數、顯示模式參數、保護特性參數及環境參數五大類，還要根據需要選擇附件。在相關的產品資料中，選擇出適用的規格型號及訂貨號。

1.12.1 根據負載類型選擇變頻器

變頻器類型選擇的基本原則是根據負載的要求進行選擇，因此選擇時必須要充分了解所驅動的負載特性。幾種根據負載的要求選擇方法如下：

1.風機和泵類等二次方律負載

各種風機、水泵和油泵中，隨著對葉輪的轉動，空氣或液體在一定的速度范圍內所產生的阻力與轉速的二次方成正比，且隨著轉速的減小，轉矩按轉速的二次方減小。由于這種負載所需的功率與速度的三次方成正比，當所需風量、流量減小時，利用變頻器通過調速的方式來調節風量、流量，可以大幅節約電能。但是，這類負載在高速時的功率需求增加過快（與負載速度的三次方成正比），所以不應使這類負載超工頻運行。

該類負載在過載能力方面的要求較低，由于負載轉矩與速度的二次方成反比，所以低速運行時負載減輕（羅茨風機除外），又因為這類負載對轉速精度沒有特殊要求，故選型時最主要的問題是如何得到最佳的節能效果，并考慮較少的初投資，只要變頻器容量不小于選用的電動機容量即可。更多內容可參考第4章的有關介紹。

2.膠帶輸送機等恒轉矩負載

此類負載的負載轉矩與轉速無關，任何轉速下負載轉矩總保持恒定。恒轉矩負載又分為摩擦類負載和位能式負載。

摩擦類負載的起動轉矩一般為額定轉矩的150%左右，制動轉矩一般為額定轉矩的100%左右，所以變頻器應選擇那些具有恒定轉矩特性，并且起動和制動轉矩都比較大、過載時間長和過載能力大的變頻器，例如，一般膠帶輸送機就屬于這類負載。

多數具有恒轉矩特性的負載，其轉速精度及動態性能等方面要求一般不高，當對調速范圍或負載轉矩變化不大時，考慮選用U/f控制方式或無反饋矢量控制的變頻器；當對調速范圍要求很大時，應考慮采用有反饋矢量控制的變頻器。對于負載轉矩變化大的負載，U/f控制方式不能同時滿足重載和輕載時的要求，所以不應該選用U/f控制方式的變頻器。如果工藝對機械特性的要求高，可考慮選擇矢量控制方式的變頻器。當對動態性能有較高要求時，則考慮采用有速度反饋的矢量控制方式的變頻器。若膠帶輸送機要考慮事故停車后的重載起動，則可考慮選擇直接轉矩控制的變頻器。

位能式負載一般要求有大起動轉矩和能量回饋功能，能夠快速實現正反轉，變頻器應選擇具有四象限運行能力的變頻器，可參考第7章有關內容。

3.恒功率負載

這類負載在不同轉速下的負載功率基本恒定，其轉矩與速度成反比，一般要求低速時有較硬的機械特性，只有這樣才能滿足生產工藝對控制系統的動靜態指標要求，例如，機床主軸就是恒功率負載。如果對動靜態指標要求不高，可選用一般工業用通用變頻器；對于要求精度高、響應快的生產機械，宜選用矢量控制的通用變頻器。

4.其他類型負載

其他類型負載有兩類：一類是負載轉矩與轉速成正比的直線律負載，如軋鋼機和碾壓機，此類負載可參考二次方律負載選擇變頻器；另一類是在不同運行速段具有恒轉矩負載或具有恒功率負載的混合特性負載，大部分金屬切削機床都是這種負載。

1.12.2 變頻器防護結構的選擇

變頻器屬于電子器件裝置，潮濕、腐蝕性氣體及塵埃等易造成電子器件銹蝕、接觸不良、絕緣降低，進而形成短路。作為防范措施，應對控制板進行防腐防塵處理，并采用封閉式結構。變頻器的防護結構選擇見表1-8。

表1-8 變頻器的防護等級

變頻器防護結構符號的代號由表征字母（IP）及其后面的兩個表征數字組成，第一位數字表示外殼對固體異物和殼內部件的防護等級，第二位數字表示由于外殼進水而引起有害影響的防護等級，具體內容可參考GB/T 14048.1—2012《低壓開關設備和控制設備第1部分：總則》中的附錄C，也可在參考文獻4第1章中找到有關內容。

變頻器內部產生的熱量大，根據使用場所的要求和散熱的經濟性，可選用一般封閉式（IP20）、封閉式（IP40）或密封式（IP54或IP65）結構，并根據變頻器對溫度的要求，采取必要的通風措施，另外，定期檢查變頻器的空氣濾清器及冷卻風扇也是非常必要的。除此之外，有的還選用大型工業級空調作為變頻器室散熱或保溫（特殊的高寒地區）的重要手段。

1.12.3 變頻器的輸入輸出參數

1.輸入側的額定參數

額定輸入參數包括電源輸入相數、電壓、頻率（我國規定工頻為50Hz）、允許電壓頻率波動范圍、瞬時低電壓允許值（相當于標準適配電動機85%負載下的試驗值）、額定輸入電流和需要的電源容量。

2.輸出側的額定參數

額定輸出參數包括通用變頻器的額定輸出電壓、輸出頻率范圍、輸出頻率的精度、0.5Hz時的起動轉矩、額定輸出電流（在驅動低阻抗的高頻電動機等場合，允許輸出電流可能比額定值小）、額定過載電流倍數等。變頻器的最大輸出頻率因型號的不同而差別很大，通常有50Hz/60Hz、120Hz或更高，通用變頻器中，大容量的大都屬于50Hz/60Hz一類，而最大輸出頻率超過工頻的變頻器多為小容量的。

（1）額定輸出電壓

變頻器輸出電壓的等級是為了適應異步電動機的電壓等級而設計的，通常等于電動機的工頻額定電壓。變頻器規格表中給出的輸出電壓，是變頻器可能的最大輸出電壓，即基頻下的輸出電壓。

（2）輸出頻率范圍

即輸出頻率的最大調節范圍，通常以最大輸出頻率f_max和最小輸出頻率f_min來表示。各種變頻器的輸出頻率范圍不盡相同，通常最大輸出頻率為120Hz或更高，最小輸出頻率為0.1～1Hz。

目前，我國普通電動機的電源頻率為50Hz，額定頻率對應的運行速度為額定轉速。在超速運行時需注意兩點：第一，變頻器在50Hz以上區域時，其輸出電壓不變，為恒功率輸出特性，故高速運行時轉矩減小；第二，高速區域運行的轉速不能超過電動機的最高轉速，否則會影響電動機的使用壽命，甚至使電動機損壞。在進行頻率選擇時，應根據變頻器的使用目的來確定最高頻率，例如，風機、泵類及輸送散料的膠帶輸送機當采用變頻調速節能的變頻器時，一般選擇最大輸出頻率f_max為50Hz。

（3）輸出頻率的精度

它通常給出兩種指標：模擬設定（如最高頻率的+0.2%）和數字設定（如最高頻率的+0.01%）。輸出頻率的設定分辨率通常給出三種指標：模擬設定（如最高頻率的1/3000，60Hz時為0.02Hz）、數字設定（如小于99.99Hz時為0.01Hz，大于100.0Hz時為0.1Hz等）和串行通信接口連接設定（如最高頻率的1/20000，小于60Hz時為0.003Hz，120Hz時為0.006Hz等）。

（4）0.5Hz時的起動轉矩

這是變頻器重要的性能指標，優良的變頻器在0.5Hz時能輸出180%～200%的高起動轉矩。這種變頻器可根據負載要求實現短時間平穩加、減速，快速響應急變負載。

（5）額定輸出電流

額定輸出電流是指允許長時間輸出的最大電流，是用戶選擇變頻器的主要依據（見1.12.6節）。

（6）額定輸出容量

采用變頻器對異步電動機進行調速時，在異步電動機確定后，通常根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器的容量，或者根據異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器容量。變頻器容量的選擇是一個重要且復雜的問題，具體的選定可見1.12.7節。

1.12.4 變頻器控制參數及過載能力的選擇

選用變頻器時，可根據控制參數及其說明選擇所需要的參數，并核對與自己需要是否相符（有些參數可能用不上，可以不予考慮）。

頻率上下限：通常指預設的頻率上限值和下限值。

跳越頻率控制：通常設定跳越點的個數、跳躍頻率設定范圍等，主要用來避免機械共振。

變頻器的過載能力：是指允許其輸出電流超過額定電流的能力。根據主電路半導體器件的過載能力，通用變頻器的電流瞬時過載能力常常設計成150%額定電流、1min或120%額定電流、1min，變頻器允許過載的時間只有1min。標準異步電動機的過載能力通常為200%左右，它的發熱時間常數常以分鐘計算，大功率電動機可達十幾分鐘甚至若干小時。

1.12.5 變頻器輸出電流的選擇

電動機的發熱時間常數通常以分鐘計算，中高壓電動機的發熱時間一般可達十幾分鐘甚至更長。變頻器雖然也有過載能力（通常為150%），但允許過載的時間只有1min，相對于電動機的發熱時間常數而言，幾乎沒有什么過載能力。所以電動機發生過載時，首先損壞的是變頻器（如果變頻器的保護功能不完善）。變頻器輸出的額定電流是一個準確反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量，在采用變頻器驅動異步電動機調速中，確定異步電動機后，通常應根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。關于中、高壓變頻器輸出的額定電流，提供如下電流選擇計算方法以供參考。

1.變頻器驅動單個電動機時的電流選擇

由于變頻器供給電動機的是脈動電流。電動機在額定運行狀態下，用變頻器供電與用工頻電網供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率時要比電動機電流或功率要大一個等級，一般為

I_N≥1.1I_MN 或I_N≥1.1I_Mmax

式中 I_N——變頻器的額定電流（A）；

I_MN——電動機的額定電流（A）；

I_Mmax——電動機的最大運行電流（A）。

需要指出的是，即使電動機負載非常輕，電動機電流在變頻器額定電流以內，也不能選用比電動機容量小很多的變頻器，這是因為電動機的容量越大，其脈動電流值也越大，很有可能超過變頻器的過電流耐量。

需要說明的是，上面的計算公式適合風機、泵類負載以及輕載起動時變頻器額定電流的計算；而對于重載起動和頻繁起動、制動運行時變頻器的額定電流，按下式計算：

I_N≥（1.2～1.3）I_MN

2.變頻器驅動多臺電動機時的電流選擇

1）多臺電動機由單個變頻器供電且同時起動時，所需電流最大。一般情況下，中、高壓變頻器的功率都比較大，很少采用直接起動，大部分使用變頻器功能實行軟起動，此時變頻器輸出的額定電流按下式計算：

式中——所有直接起動電動機的堵轉電流之和（A）；

——所有軟起動電動機的額定電流之和（A）；

K_P——變頻器允許過載倍數，可由變頻器產品說明書查得，一般可取1.3～1.5。

2）多臺電動機由單個變頻器供電且不同時軟起動、軟停止時所需電流，可考慮按起動最慢的那臺電動機或按起動條件最不利時進行整定計算。這里指出，當幾臺電動機功率差別大且不能同時起動、工作時，不宜采用一臺變頻器拖幾臺電動機，否則變頻器的功率會很大，在經濟上不合算。

1.12.6 變頻器容量的選擇

中、高壓變頻器基本采用訂制模式，即一般不會有廠家把產品生產出來等待用戶來購買，而是根據用戶的需要進行設計和生產。一般中、高壓變頻器廠家需要用戶提供電動機電壓、電流和功率這三個重要的參數。半導體變流單元一般只與電動機的電壓和電流有關系，電壓決定功率單元電路的串聯個數和耐壓水平，電流決定功率電路的輸出電流能力。對于標準的電動機，變流單元的設計除了整流橋外，與電動機的功率沒有關系，這也是變頻器有時標明視在功率的原因。這說明：變頻器輸出容量取決于額定輸出電流與額定輸出電壓下的三相視在輸出功率。因此，在異步電動機確定后，考慮到變頻器容量與電動機容量的匹配，通常根據異步電動機的額定參數（如電動機的電壓、電流和功率）或電動機實際的運行參數來選擇變頻器。對于變頻器的容量，不同的公司有不同的表示方法，一般有以下三種：一是用變頻器額定輸出電流（A）表示；二是用變頻器的額定視在功率（kV·A）表示；三是用額定有功功率（kW）表示。下面介紹根據用這三種表示方法來選擇變頻器容量：

1）若按變頻器的額定輸出電流來選擇變頻器的容量，可按1.12.5節的內容來確定。

2）以變頻器額定視在功率來選擇變頻器容量。

若以變頻器額定視在功率來選擇變頻器容量，應使電動機算出的所需視在功率小于變頻器所能提供的視在功率，用下面的計算選擇方法，使變頻器的容量和電動機的容量配合。

1.變頻器驅動單臺電動機時的容量選擇

連續恒定負載運行時，所需的變頻器容量P_CN按式（1-2）和式（1-3）計算，式（1-2）滿足負載的輸出要求，式（1-3）用來實現與電動機容量的配合。電動機運行時要同時滿足式（1-2）和式（1-3）^[3]：

式中 P_M——電動機軸上輸出的機械功率（kW）；

η——電動機的效率；

cosφ——電動機的功率因數；

U_M——電動機的電壓（V）；

I_M——電動機的電流（A）；

k——電流波形的修正系數，采用PWM方式時，通常取1.0～1.5；

P_CN——變頻器的額定容量（kV·A）。

2.變頻器驅動多臺電動機時的容量選擇

變頻器同時驅動多臺電動機時，需要考慮變頻器的過載能力，要保證變頻器的額定電流大于所有電動機的運行電流之和。設所有電動機的容量等均相等，當部分電動機直接起動時，考慮變頻器的過載能力為K_P，允許過載的時間為1min，如果電動機的加速時間在1min以內，則變頻器的驅動容量可按下式（1-4）^[3]計算；如果電動機的加速時間大于1min，則變頻器的驅動容量可按式（1-5）^[3]計算。

式中 N_T——電動機并聯的臺數；

N_S——電動機同時起動的臺數；

k_S——電動機起動電流與電動機額定電流的比值；

K_P——變頻器允許過載倍數，一般可取1.3～1.5。

3.用適配電動機的額定有功功率（kW）選擇變頻器的容量

有的公司在變頻器說明書中列出了變頻器的容量和對應的配用電動機額定有功功率（kW），該電動機容量是指在帶恒定負載時可配用的最大電動機容量。根據公司的有關技術數據，如表1-9和表1-10的技術數據^[5]，用適配電動機的額定有功功率（kW）可以選擇出對應變頻器的容量及型號。

表1-9 用于異步電動機的ACS5000變頻器參數表（外置變壓器）

①異步電動機效率為97.5%，功率因數為0.88。

②“x”表示已安裝逆變器冷卻風機的數量。

③重量為近似值。

④非法定計量單位，1hp=745.7W。

表1-10 10kV利德華福HARSVERT-A/VA/S/VS產品選型表

注：1.10kV系列包括變頻器輸出10kV、10.5kV電壓等級。

2.變頻器型號詳細說明：A表示異步電動機普通控制型，S表示同步電動機普通控制型，VA表示異步電動機矢量控制型，VS表示同步電動機矢量控制型。變頻器型號中的額定電流值還可細化，具體型號完全按照電動機電流匹配。

3.功率等級為電動機功率因數為0.8時的參考功率等級。

4.本選型表中尺寸及重量均為變頻器本體，不含旁路柜等其他選件。

4.選擇變頻器容量時的注意事項

1）通用變頻器的容量多數是以千瓦數及相應的額定電流標注的，對于三相通用變頻器而言，該kW數是指該通用變頻器可以適配的4極三相異步電動機滿載連續運行的電動機功率，一般情況下，可以據此確定需要的通用變頻器容量。當電動機不是4極時，就不能僅以電動機的容量來選擇變頻器的容量，必須用電流來校驗。

2）選擇變頻器容量時主要以電動機實際運行的最大電流為依據，以電動機的額定功率作為參考。由于通用變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增加，應適當考慮加大容量。當電動機頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的通用變頻器，以利于通用變頻器長期、安全運行。其次，應考慮最小和最大運行速度極限，滿載、低速運行時電動機可能會過熱，所選通用變頻器應具有可設定下限頻率、可設定加速和減速時間的功能，以防止低于該頻率下運行。

3）一般風機、泵類負載不宜在15Hz以下運行，如果確實需要在15Hz以下長期運行，需考慮電動機的容量溫升，必要時應采用外置強制冷卻措施，或拆除電動機本身的冷卻扇葉，利用原扇罩固定安裝一臺小功率（如25W，三相）軸流風機對電動機進行冷卻。如果電動機的起動轉矩能滿足要求，宜選用通用變頻器的降轉矩U/f模式，以獲得較大的節能效果。若通用變頻器用于離心式風機，由于風機的轉動慣量較大，加減速時間應適當加大，以避免在加減速過程中出現過電流保護動作或再生過電壓保護動作。要特別注意50Hz以上高速運行的情況，若超速過多，會使負載電流迅速增大，導致設備燒毀，使用時應設定上限頻率，限制最高運行頻率。

4）在使用變頻器驅動高速電動機時，由于高速電動機的電抗小，高次諧波的增加導致輸出電流值增大。所以高速電動機的變頻器選型，其容量要稍大于普通電動機的選型。

5）變頻器如果需要長電纜運行，應選擇1.14.5～1.14.6節中介紹的變頻器專用電力電纜和控制電纜；若選擇普通電力電纜和控制電纜，則要采取措施抑制普通長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，變頻器容量要放大一級或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

6）對于普通的離心泵，變頻器的額定電流與電動機的額定電流相符。對于特殊的負載（如深水泵等），則需要參考電動機的性能參數，以最大電流確定變頻器的電流和過載能力。

1.12.7 根據不同生產機械選擇變頻器

不同生產機械的負載性質不同，即使相同功率的電動機，因負載性質不同，所需的變頻器容量也不相同。例如，屬于二次方轉矩負載的風機、泵類所需的變頻器容量較膠帶輸送機、起重機、壓縮機等恒轉矩負載的變頻器容量小。不同生產機械選配變頻器的容量參考表見表1-11。

表1-11 不同生產機械選配變頻器的容量參考表^[1]

（續）

注：表中，T_z、T_e分別為電動機的負載轉矩、額定轉矩；S_f為變頻器的容量；S_e為電動機的容量。

1.12.8 根據技術參數對比選擇變頻器

首先，將同一公司不同變頻器產品的技術參數（見表1-12）或幾個公司不同變頻器產品的技術參數（見表1-13）進行對比，再根據負載性質、適配電動機功率（kW）、安裝地點環境和生產工藝要求，選擇中、高壓變頻器。

表1-12 ABB四種高壓變頻器產品參數對比選型表

（續）

表1-13 部分國內外高壓變頻器的技術參數對比選型表

（續）

（續）