如何选择适合的变频器？

1.变频器的类型

变频器选用时一定要做详细的技术经济分析论证，对那些负荷较高且非变工况运行的设备不宜采用变频器。变频器具有较多的品牌和类型，价格相差很大。为此必须了解变频器的技术特性和分类，变频器可以从以下不同的方面进行分类：

1）按控制方式不同可分为通用型和工程型。通用型变频器一般采用给定闭环控制方式，动态响应速度相对较慢，在电动机高速运转时可满足设备恒功率的运行特性，但在低速时难以满足恒功率要求。工程型变频器在其内部通过检测设有自动补偿、自动限制的环节，在设备低速运转时可保持较好的特性实现闭环控制。按控制功能分为：普通功能型F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型F控制变频器和矢量控制高性能型变频器。

2）按安装形式不同可分为四种，可根据受控电动机功率及现场安装条件选用合适的类型。一种是固定式（壁挂式），功率多在37kW以下。第二种是书本型，功率为0.2～37kW，占用空间相对较小，安装时可紧密排列。第三种是装机、装柜型，功率为45～200kW，需要附加电路及整体固定壳体，体积较为庞大，占用空间相对较大。第四种为柜型，控制功率为45～1500kW，除具备装机、装柜型的特点外，与之比较占用空间更大。

3）从变频器的电压等级来看，有单相AC230V电压等级，也有三相AC208～230V、380～460V、500～575V、660～690V电压等级，应根据电源条件和电动机额定电压参数做出正确的选择。

4）从变频器的防护等级来看，有IP00的，也有IP54的，要根据现场环境条件做出相应的选择。

5）从调速范围及精度而言，FC（频率控制）变频器调速范围为1∶25；VC（矢量控制）变频器的调速范围为1∶1000～1∶100；SC（伺服控制）变频器的调速范围为1∶4000～1∶1000，要根据系统的负载特性做出相应的选择。

变频器的类型选用要根据生产机械的负载特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩的要求，决定选用哪种控制方式的变频器最合适。所谓合适是既要好用，又要经济，以满足工艺和生产的基本条件和要求。在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数：

1）电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量就要适当加大。

2）转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电动机功率的情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取。

3）电磁兼容性。为减少主电源干扰，使用时可在中间电路或变频器输入电路中设置电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入输出电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。

变频器的选型应满足以下条件：

1）电压等级与驱动电动机相符，变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.1～1.5倍，对于特殊的负载，如深水泵等则需要参考电动机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。由于变频器的过载能力没有电动机的过载能力强，一旦电动机有过载，损坏的首先是变频器。如果机械设备选用的电动机功率大于实际机械负载功率，并把机械功率调节到电动机输出功率，此时，变频器功率选用一定要等于或大于电动机功率。个别电动机额定电流值较特殊，不在常用标准规格附近，又有的电动机额定电压低，额定电流偏大，此时要求变频器额定电流必须等于或大于电动机额定电流。

3）根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式。

变频器的选型除一般须注意的事项（如输入电源电压、频率、输出功率、负载特点等）外，还要求与相应的电动机匹配良好，要求在正常运行时，在充分发挥其节能优势的同时，避免其过载运行，并尽量避开其拖动设备的低效工作区，以保证其高效可靠运行。在变频器选型时，对于相同设备配用的变频器的规格应尽可能统一，以便于备品备件的准备，便于维修管理，选用时还要考虑生产厂家售后服务质量情况。

2.变频调速系统的效率与损耗

（1）变频器的效率

变频器的效率是指其本身的变换效率，交-交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用也受到限制。目前，通用的变频器主要为交-直-交型，交-直-交变频器的损耗由三部分组成，整流损耗约占总损耗的40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。其前两项损耗是随着变频器的容量、负荷、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负荷而变化。变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比采用传统电子技术的损耗小。变频器在额定状态运行时，其效率一般为86.4%～96%，变频器的效率随着变频器功率的增大而提高。

（2）电动机的效率和损耗

电动机变频调速后的各种损耗和效率均有所变化，根据电动机学理论，电动机的损耗可分为铁心损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。

1）铁心中的磁滞损耗表达式为

P_n=σ_n（f/50）（B/10000）ⁿG_C（2-1）

由式（2-1）可知，磁滞损耗与磁滞损耗系数σ_n、铁心中磁通密度B、铁心重量G_C及电源频率f有关，变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少速度慢，损耗所占比例有所提高。

2）涡流损耗表达式为

3）轴承摩擦损耗表达式为

4）风阻损耗表达式为

5）定子绕组铜耗和转子绕组铜耗的大小与电源频率f没有直接关系，但谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。

6）杂散损耗及附加损耗。不论何种形式的变频器，其输出波形除基波外，都会出现谐波，如通用的正弦波变频器（PWM），其载波频率高达几千至几万赫兹，附加谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外谐波也会增加涡流损耗。

综上所述，电动机变频调速后的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。

图2-1 变频器负载率β与 效率η的关系曲线

变频器负载率β与效率η的关系曲线如图2⁃1所示。由图2⁃1可见：当β=50%时，η=94%；当β=100%时，η=96%。虽然β增一倍，η变化仅2%，但对于中、大功率变频调速系统，如几百千瓦至几千千瓦电动机而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：

1）变频器功率值与电动机功率值相匹配时最合适，以使变频器在高的效率值下运行。

2）在变频器功率分级与电动机功率分级不相同时，变频器功率要尽可能接近电动机功率，并应略大于电动机功率。

3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。

4）经实际测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意电动机瞬时峰值电流是否会造成变频器过电流保护动作。

当变频器与电动机功率不相同时，必须修改相关参数的设置，以利于经济运行。

3.变频器的选择原则

（1）负载特性

变频调速与机械变速存在本质上的区别，不能将某电动机使用机械变速改为相同功率的变频调速。因为功率是转矩与转速的乘积：

式中，M为转矩（N·m）；ω为角速度（rad/s）；n为转速（r/min）。

机械变速时（例如齿转变速、皮带变速），若变比为K，在电动机功率不变时，忽略变速器效率，即转速下降K倍，而转矩可升高K倍，它属于恒功率负载。

图2-2 不同负载的机械特性

1—恒功率负载 2—恒转矩负载 3—平方率负载

而变频调速的转矩-转速曲线在低于额定频率时，电动机为恒转矩运行，电动机不能提高输出转矩。高于额定频率时，转速升高转矩下降。常见的不同负载的机械特性如图2-2所示。图2-2中的曲线3为平方率负载（例如风机、水泵）；曲线2为恒转矩负载（例如传送带），这两种负载在低于额定频率运行时，负载力矩没有增加，所以当在额定频率以下时，可以按电动机功率大小配置变频器功率。

图2-2中的曲线1是恒功率负载（例如切削机床），低速时力矩增加，而变频器和电动机低于额定频率时的电流被限制，力矩不能增加，所以在变频调速系统运行在低速区时，有可能会造成电动机带不动负载，选用时要根据减速造成力矩增加的比例，选用比原电动机功率大的电动机和变频器。例如原来为1.5kW的电动机，负载转矩为9.18N·m，转速为1460r/min，机械变速后转速降到720r/min，转矩就可达18.36N·m，而与之配套的电动机和变频器不可能输出18.36N·m的转矩。因此，变频调速后电动机和变频器需增加的功率是：(www.xing528.com)

选用标准功率为3.7kW或4kW的电动机和变频器才能保证在低速区时输出要求的转矩。

在我国将工频50Hz以下区间作为变频器的“恒力矩区”，即频率和转速成比例下降时，电动机为恒力矩特性。在50Hz以上区间为“恒功率区”，即频率和转速越高，电动机力矩越小。变频器的输出频率和拖动电动机的转速成正比，其输入的功率（机械功率）为：转速×转矩。为此，选择变频器时应根据以下原则：

1）电动机功率在280kW以上应选择电流型变频器（多重化波形），75kW以下的电动机应选择电压型变频器（PWM波形），75～280kW的电动机可根据实际情况决定。

2）根据拖动设备特性选择，机床类设备需要尽可能满足恒功率的硬特性，可选用专用电动机和配足变频器功率，尽可能选用矢量型变频器，并要求变频器带有制动单元。风机、水泵等减力矩负载要选用专用变频器，便于节能运行。对于只需恒力矩的传动系统，选用通用型、矢量型或F型变频器均可。

变频器的正确选用对于机械设备及系统的正常运行至关重要，选择变频器首先要满足机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩和使用环境的要求，然后决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：

1）恒转矩负载。在恒转矩负载中，负载转矩T_L与转速n无关，在任何转速下T_L总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线性增加。多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机、搅拌机、传送带、厂内运输电车、吊车的平移机构、吊车的提升机构和提升机等。选型时可选F控制方式的变频器，最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。起重机类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一定余量。同时，在重物下放时，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式。

变频器拖动具有恒转矩特性的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应考虑标准电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。而对不均性负载（其特性是：负载有时轻，有时重）应按照重负载的情况来选择变频器容量，例如轧钢机械、粉碎机械、搅拌机等。

对于大惯性负载，如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此起动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。应该选用容量稍大的变频器来加快起动，避免振荡，并需配有制动单元消除回馈电能。

长期低速运行的系统，由于电动机发热量较高，风扇冷却能力降低，因此必须采用加大减速比的方式或改用6级电动机，使电动机运转在较高频率附近。对于低速运行时要求有较硬的机械特性和一定的调速精度，但动态性能方面无较高要求时，可选用具有转矩控制功能的高功能型变频器，以实现恒转矩负载的调速运行。另外对于恒转矩负载下的电动机，如果采用通用标准电动机，则应考虑低速下电动机的强迫通风冷却，以避免电动机在低速运行时发热。

2）恒功率负载。恒功率负载的特点是需求转矩T_L与转速n大体成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。

负载的恒功率性质是针对一定的速度变化范围而言的，当速度很低时，受机械强度的限制，T_L不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。

3）流体类负载。在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的二次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的二次方减小。这种负载所需的功率与速度的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵都属于典型的流体类负载，由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。

流体类负载在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与速度的二次方成反比，所以低速运行时负载较轻（罗茨风机除外），又因为这类负载对转速精度没有什么要求，故选型时通常以价格为主要原则，应选择普通功能型变频器，只要变频器容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量），目前已有为此类负载配套的专用变频器可供选用。

（2）系统特性

1）快速响应系统。所谓响应快是指实际转速对于转速指令的变化跟踪快，从负载变动和外界干扰引起的过渡性速度变化中恢复得快。要求响应快的典型负载有轧钢机、生产线设备、机床主轴、六角孔冲床等，针对快速响应系统最好选用转差频率控制的变频器。

2）被控对象的动态、静态指标要求。变频调速系统在低速时应有较硬的机械特性，才能满足生产工艺对控制系统的动态、静态指标要求，如果控制系统采用开环控制，可选用具有无速度反馈的矢量控制方式的变频器。

对于调速精度和动态性能指标都有较高要求，以及要求高精度同步运行的系统，如轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类负载，可选用带速度反馈的矢量控制方式的变频器。如果控制系统采用闭环控制，可选用能够四象限运行，F控制方式，具有恒转矩功能的变频器。对于电力机车、交流伺服系统、电梯、起重机负载，可选用具有直接转矩控制功能的专用变频器。

综上所述，在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外，还应考虑经济性，一般不要留有太大的功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，这样不但经济性好而且输出波形更好。常见的几类设备的负载特性和负载转矩特性见表2-1，可供变频器选型时参考。

表2-1 常见的几类设备的负载特性和负载转矩特性

4.变频器选择的注意事项

在选择变频器时应注意以下事项：

1）选择变频器时应以实际电动机电流值作为变频器选择的依据，电动机的额定功率只能作为参考。另外应充分考虑变频器的输出含有谐波，会造成电动机的功率因数和效率变差。采用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流增加10%而温升增加约20%。所以在选择变频器时，应考虑到这种情况，适当留有裕量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。

2）当变频器和电动机之间的接线超长时，随着变频器输出电缆长度的增加，其分布电容明显增大，从而造成变频器逆变输出的容性尖峰电流过大引起变频器的过电流保护动作，因此必须使用输出电抗器或du/dt滤波器或正弦波滤波器等装置对这种容性尖峰电流进行限制。

输出电抗器用于补偿在电动机电缆长距离敷设时引起的线路电容充电电流，也可抑制谐波。在多电动机成组的传动系统时，可接入一台输出电抗器，总电缆长度是每台电动机电缆长度的总和。从理论上说，功率等级不同的变频器所允许敷设的电动机电缆长度是不同的，并且不同生产厂商的变频器所允许敷设的电动机电缆长度也是不同的。因此，关于变频器与电动机之间的电缆在超过多长的距离时应加装输出电抗器，还应参阅各变频器生产厂商提供的使用手册。

3）当变频器用于控制并联的几台电动机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。在此种情况下，变频器的控制方式只能为F控制方式，并且变频器无法保护电动机的过电流、过载，此时需在每台电动机回路上设置过电流、过载保护。

4）对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔等，应降容选择变频器，变频器需放大一档选择。环境温度长期较高，变频器若安装在通风冷却不良的机柜内时，会造成变频器寿命缩短（特别是电解电容等元器件，在高于额定温度后，每升高10℃寿命会下降一半），除设置完善的通风冷却系统以保证变频器正常运行外，在选用上增大一级变频器容量，可使其在运行时温升有所下降。

5）采用变频器控制高速电动机时，由于高速电动机的电抗小，谐波增加了输出电流值。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机选择的变频器大一级。

6）如果在变频调速系统中，为了扩大调速范围而必须选用多速电动机时，应使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下，在运行中不能改变极对数。因为多速电动机是用改变定子绕组接线方法改变极对数，实现调速目的。如果在变频器运行中改变电动机的绕组接线，就会引起很大的冲击电流，造成变频器过载跳闸，甚至烧毁的严重事故。所以，要安全切换多速电动机的绕组，必须要等到变频器停止输出后才能进行。

7）在选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配，否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长期安全稳定运行。驱动防爆电动机时，因变频器没有防爆类型，应将变频器设置在危险场所之外。

8）使用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。若为润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在超过额定转速的高速范围内，有可能发生齿轮减速机的机械和润滑故障。因此，不要超过齿轮减速机的最高转速容许值。

9）变频器驱动绕线转子异步电动机时，由于绕线转子电动机与普通的笼型电动机相比，绕线转子电动机绕组的阻抗小，因此，容易发生由于纹波电流而引起的过电流保护动作。所以应选择比绕线转子电动机的容量大一级的变频器。一般绕线转子电动机多用于飞轮力矩GD²较大的场合，应用中应结合实际工况设定加、减速时间。

10）在可以使用单相电源的情况下，三相小型电动机可选择“单相220V电源进线三相输出”的变频器，电动机可由原三相380V的接法，改为△接法，功率与原使用状态相同，这样选用更为经济。变频器输入端R、S、T与输出端U、V、W不能接错。变频器的输入端R、S、T是与三相整流桥输入端相连接，而输出端U、V、W是与三相异步电动机相连接的晶体管逆变电路。若两者接错，轻则不能实现变频调速，电动机也不会运转，重则烧毁变频器。

11）在用变频器驱动同步电动机时，与工频电源相比，降低输出容量10%～20%，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流标幺值的乘积。对于同步电动机负载，选择变频器的依据是电流、电压而不是功率。

12）对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载的机械设备，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作。因此，应了解工频运行情况，选择比其最大电流大的变频器。变频器驱动潜水泵电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比普通电动机的额定电流大，所以选择变频器时，其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。

13）当为驱动罗茨风机的电动机选择变频器时，由于其启动电流很大，所以选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。

14）单相电动机不适用变频器驱动。

15）变频器与供电电源之间应装设带有短路及过载保护的断路器、交流接触器，以免变频器发生故障时事故扩大。电控系统的急停控制应使变频器电源侧的交流接触器开断，彻底切断变频器的电源供给，保证设备及人身安全。变频器连接在大容量电源变压器（500kVA以上）电网中，或者在同一电源变压器上连接有晶闸管变流器而未使用换流电抗器，或者同一电网上有功率改善用切换电容器组时，应配置AC电抗器或DC电抗器，它们也有改善变频器电源侧功率因数和降低输入谐波电流的效果。电网电压处于不正常时将危及变频器的安全运行，如对380V的线电压，若上升到450V就会造成变频器损坏，因此对于电网电压超过使用手册规定范围的场合，要使用变压器调整，以确保变频器的安全。

16）高海拔地区因空气密度降低，散热器不能达到额定散热效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要时可加大一级变频器容量，以免变频器过热。

图2-3 不同调制频率与负载率降低的关系

17）当变频器为降低电动机噪声而将调制频率设置较高，并超过出厂设置频率时，会造成变频器损耗增大。设置频率越高，损耗越大，因此要适当减载。不同调制频率与负载率降低的关系如图2⁃3所示，不同公司、不同系列的变频器会有差别，但趋势是相似的。

18）若用一台变频器驱动多台电动机时，变频器容量应比多台电动机容量之和大，并且只能选择F控制模式，不能用矢量控制模式。因矢量控制模式只能对应一台变频器驱动一台电动机，而且变频器的额定电流应等于或大于各台电动机的额定电流之和。

19）当多台变频器的逆变单元共用一个整流、回馈单元时，即采用公共直流母线方式，有利于多台逆变器制动能量的储存和利用，此时整流、回馈单元的容量要足够大，并要设有防止变频器整流桥过载损坏的保护措施，在使用中，多台电动机不能同时制动。

20）在起动、停止频繁的场合，不要用主电路电源的通、断来控制变频器的起动、停止，应使用变频器控制面板上的RUN/STOP键或SF/SR控制端子。因为变频器起动时，首先要给直流回路的大容量电解电容充电，如果频繁起动变频器势必造成电容充电用限流电阻发热严重，同时也缩短了大容量电解电容的使用寿命。

21）变频器的端子“N”为中间直流回路的低电平端，严禁与三相四线制供电线路中的零线或大地相接，否则会造成三相整流桥因电源短路而损坏变频器。

22）变频器的输出侧一般不能安装接触器，若必须安装，则一定要注意满足以下条件：变频器若正在运行中，严禁切换输出侧的接触器；要切换接触器必须等到变频器停止输出后才可以。因为，如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压而极易损坏变频器中的电力电子器件。因此，要切换变频器输出侧的接触器，一定要等到所控制的电动机完全停止以后。

23）遇有内装制动单元而需外加制动电阻的变频器，一定要注意制动电阻的正确接线。制动电阻要接在P与DB之间，不能接在P、N之间，否则会造成变频器的逆变器在未运行时三相整流桥就满载工作，造成变频器无法正常工作，制动电阻也有烧毁的可能。

24）机械制动器在变频调速系统中的正确使用。在脉宽调制（PWM）的变频器中，其输出频率与输出电压之比为一常数，即f/V=C。在输出频率较低时，其输出电压也较低，如果机械制动器的电磁抱闸线圈接在U、V、W端，则在变频器低速时机械抱闸始终处于抱紧状态，变频器会因过载而跳闸，所以机械制动器的电磁线圈只能接在变频器的输入端R、S、T端。

25）常规设计的自通风异步电动机在额定工况下及规定的环境温度范围内是不会超过额定温升的，但处于变频调速系统中，情况就有所不同。自通风异步电动机在20Hz以下运行时，转子风叶的冷却能力下降，若在恒转矩负载条件下长期运行，势必造成电动机温升增加，使调速系统的特性变坏。所以，当自通风异步电动机在低频运行并且拖动恒转矩负载时，必须采取强制冷却措施，改善电动机的散热能力，保证变频调速系统的稳定性。