高压变频器质量判断的十个要点

一、发展概况简述

　　变频器问世已近30年，中国的变频器发展也有20年的时光，变频器具有如下特点：

1、调速性能好，调速范围广。输出功率从0～400Hz，通用型，0～120Hz，水泵风机调速精度高0.1%，因频率分辨率是0.1%且是无级调速，用矢量控制时精度可达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，有关运行参数的设定等。

正因为上述两大突出的优点，所以变频器每年以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、是想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。

二、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，自动化技术的进步而逐步前进的。一般判断产品的质量有以下十个要点是首先要考虑的，如下：

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：

（1)V／f=C属开环控制；

（2)SVPWM空间电压矢量控制，属开环控制；  

(3)矢量控制VC,属闭环控制，有电流I，磁通φ，转矩T，转速n四种；一般内环是φ、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，以上四种常用的。

2000年后国外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、解耦等器件装置，反馈到输入端    详见图1、表1、表2。自问世后深受用户欢迎和青睐，主要是方便使用，功能不亚于有速度传感器反馈装置的变频器。目前高压变频器控制方式以A、B两种为多数。无反馈装置在试制中，C处于研发中。

2．独特的几种变频器的控制方法

（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=0.866,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，即三角波相位预及调制信号(0～50Hz)的幅值共同调节来控制IGBT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的调制方法控制

①同步调制

在一个调制信号周期内包含三角波的个数不变，在改变信号周期的同时成比例改变载波周期，使≥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，因此只适用在f>20Hz频率段工作，目前的V／F方式即如此。

②异步调制

调制信号周期变化的同时载波周期仍保持不变，即，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f<20Hz低频工作段。   

③随机调制

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a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，几乎国内外没有这类调制方式的产品。近

（3）按电动机U型特性曲线与V／f配合方式的控制

按电动机U特性曲线与V／f配合的控制方式——众所同知，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形特性曲线)，因此是最节电的，比一般变频器在相同工况条件下，能多节电8％～10％，而且cos，是个动态调功控制器，特别适用风机、水泵类负载。在节能运行时，效果特好，早期产品为SMX系列，近年为扩大使用范围，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。电动机的U形特性曲线见图2。

（4）模糊控制方式

模糊控制(FUZZY)

此方式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(见图3)。

（5）自整定(电动机参数在线测量控制)

（6）最近有绿色无谐波问世

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，见结构框图4（北京四方方圆）。

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cosl，真正实现无谐波绿色变频器的愿望。

③最后效果。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，能够多节省电量10％以上。

（2）双PWM型控制方式

当今电压型交一直一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，cosφ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，经专家研讨，认为采用双PWM控制，即整流桥也采用可控IGBT的SPWM方法是有效的。从理论分析cosφ=1，无谐波，有绿色变频器的美称，并能实现回馈再生制动。双PWM变频器结构见图5。

（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cosφ可调，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cosφ≈l，输出电流波形好，谐波小，矩阵变频器是一种直接交一交变换。开关器件为全控器件SCR控制方式为斩控方式。交一交变频器则采用移相控制SCR实现交流电流与交流电动机之间功率直接变换，可实现能量双向流动。变频效率高，但存在输出工作频率低的缺点，它与双PWM性能类似。日本富士2010年已有产品可供，用于高速电梯为主MXT型，属PG矢量控制，精度模拟量输入在最高速时±0.1%，数字量输入±0.005.监测PG是脉冲编码器有转矩／速度指令、自整定功能、距离推测。THD<5%、cosφ>0.99损耗降1/3，原有的电介大电容、交流电抗器、滤波器都不要。

（4)采用软开关控制方式——指逆变器DC／AC变换器以接通在电压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，使容量可大大提高。

4．功率模块

　　即逆变器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，是理所当然的。目前低压或高压变频器常用功率模块有IGBT、IGBT一HV、IGCT、SGCT、IEGT、SiC等。在这个问题上要注意如下：

（1)模块的封装型式有单个(中，大功率)或IPM、PIM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，这样静态工作时器件负担小，动态工作时亦有足够的裕量，确保使用具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，电压高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，在国内IGBT多数只是封装，尤其高电压、大功率的器件，多数是国外引进的。如美国IR公司(国际半导体公司、德克萨斯公司等)。日本的东芝、三菱、日立公司等。德国的西门子、西门康。中国的英飞凌公司等。一般大公司的品牌产品，可靠性高、信誉度好、可放心使用。事实确也如此，古人云：“不怕不识货，只怕货比货”的论断。

5．整流模块

即AC／DC整流用，虽然较简单，但亦存在上述应该的注意点。

6．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。过去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HD6433037F、MB90F462、MB6475328F10东芝的等。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，传输速度更快，实时性好，信息量更大，例美国德克萨斯公司的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。

7．在交一直一交变频器主电路中，滤波电容器亦是关键器件之一，它亦是易损器件之一，正常寿命3～5年。

当电容器的容量≤85％时，使用中发现膨涨、漏液、过温(外壳发黄)时，必须更换，否则影响使用，表现直流电压变小，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介电容器，但价格较贵，现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。

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，定期检查。

（5)大电流的铜牌或铝排采用双叠形结构，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。国外不少厂商已采用。

（6)散热器、通风机要定期除尘、通风道的分布合理性与否。    ‘

（7)插接件国外都选用涂银或涂金的。而国内往往是涂锌或纯铜的，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的。

9．印刷板PCB的质量

　　印刷板亦是重要质量的一部分，目前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，印刷板二面要喷涂一层防潮涂液，特别湿热的环境中应要有防潮处理，通风机入口处要干燥处理的。国内一般都是双面板，国外有三层、甚至四层板的。

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、毫安级电流，因此是较为娇弱的，为保证其稳定和可靠地工作，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IGBT烧坏，整流二极管烧坏，电动机烧坏诸似此类事故的产生，到那时就后悔莫及，真是“早知今日，何必当初”也。

　　关于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，能简就简为主导，不要贪大求洋，只要进口名牌，国产变频器现在亦不错，旦具有价格较低，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，我们共同努力吧！