摘要：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频）。在工业控制领域, 变频调速普遍使用于各种调速系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。现代电力电子技术、交流调速技术的发展使得交流电动机变频调速在频率范围、动态响应、精度要求和使用效果等方面发生了巨大的发展。现在凡是可变转速的拖动电动机都可以用变频来调速从而达到节能降耗的目的。在国外，从1968年以丹佛斯VLT5作为世界上第一代大批量生产的AC变频器面世，现在变频器的发展已经很成熟了，但在中国的发展却是从上世纪七八十年代起步，到了90年代才有国内厂家生产。最后本文从谐波的概念入手，结合变频器的内部结构的相关知识,分析变频器谐波产生的原因及其危害,在此基础上提出了抑制谐波的常用方法。
关键词：变频器 污水泵 恒压供水 中央空调 节能 谐波危害 抑制 变频器在现代工业生产中的应用浅谈 随着我国改革开放的深入及工业发展和自动化程度的大幅提高，在我们本地企业发展的同时，也涌现出一大批的外资公司落户中国，比如IC、PCB、LCD等等生产芯片及电子产品的高科技工厂。变频器在现代化工业生产中也越来越发挥着不可替代的作用，常常变频器被美誉为“工业维生素”。在本文中我阐述了工业生产各个系统中变频器的特性及实际运用，它几乎涉及到现在所有的高科技企业，例如化学工艺、污水处理、供水、HVAC（通风）等系统。以我在过去所经历的项目（台积电、上海贝岭、苏州英飞凌、奥特斯等）为参考进行详细系统的描述，在第二大节中分为四小节，分别按系统阐述。一、变频器原理及变频装置发展史
变频器是利用电力半导体器件的通断作
用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机，如图一所示。 1. 变频器的原理 从图一可以看到变频器主要由主电源进线回路、整流器、直流环节、逆变器、控制回路构成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGB三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功率。在此顺便对其两个 重要的元器件做些说明：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。在控制回路中装有控制卡，控制卡上有控制逆变器产生脉冲序列的微处理器，通过它可将直流电压转换成电压和频率可变的交流电压。下面结合实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式：通常交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60 f(1－s)/p
式中 n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由上式中可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。2. 变频器控制方式
通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交 直 交电路。其控制方式有以下五种。
（1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
（2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
（3）电流矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
（4）直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
（5）矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：A、控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；B、自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；C、算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；D、实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。二、变频器在工业生产中的应用典范 一个现代化的工厂是由许许多多相互独立又相互关联的主要生产及辅助系统组成。在此章节中我以变频器在不同工业系统中的应用，按照其系统特性与作用的不同，具体论述一下变频器在一些典型系统中的应用，分以下四节：排污系统、恒压供水系统、通风系统、特种设备系统。1. 在排污系统中的应用 污水处理厂的设备是全天候运转的，而且潜污泵是污水处理的核心设备，进出水泵房潜污泵扬程不一致，系统运行效率低。这是因为系统单机选型匹配不当、系数裕度过大和不合理的调节方式所造成。参数裕度过大由两方面造成：一是设计规范的裕度系数过大，“宽打窄用”；另一是系统中单机选型过大，向上靠档、宁大勿小。最终造成整套系统“大马拉小车”负载运行的不匹配状况。由于水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降。经测算，当机泵的流量由100%降到50%时，若分别采用出口和入口闸阀的节流调节方式，则此时电机的输入功率分别为额定功率的84%和60%，而此时机泵的轴功率仅为12.5% ，即损失功率分别为71.5%和47.5%，这说明即使机泵的设计效率为100%， 在不采用先进的调节措施时，其实际的运行效率可能只有百分之十几或更低。水泵要靠闸阀来节流，人为地增加管网阻力以减小流量，因此阻力损失相应增加，而此时水泵的特性曲线不变，叶片转速不变，系统输入功率并无减少，而是白白地损失在节流过程中。在节流调节方式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，影响环境。
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