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一、变频器的选型

变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型？恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。

1. 恒转矩负载

负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。

变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。

2. 恒功率负载

机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就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，TL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，较大容许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，较大容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较小。

3. 风机、泵类负载

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2次方成正比。随着转速的减小，转速按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的

方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载**工频运行。

西门子公司可以提供不同类型的变频器，用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择变频器时因注意以下几点注意事项：

（1）根据负载特性选择变频器，如负载为恒转矩负载需选择siemens MMV／MDV 变频器，如负载为风机、泵类负载应选择siemens ECO变频器。

（2）选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电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高次谐波，会造成电动机的功率因数和效率都会变坏。因此，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％。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这中情况，适当留有裕量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。

（3）变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。

（4）当变频器用于控制并联的几台电机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果**过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为V／F控制方式，并且变频器无法保护电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机上加熔断器来实现保护。

（5）对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。

（6）使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，高次谐波亦增加输出电流值。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。

（7）变频器用于变较电动机时，应充分注意选择变频器的容量，使其较大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行较数转换时，应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时会造成变频器损坏。

（8）驱动防爆电动机时，变频器没有防爆构造，应将变频器设置在危险场所之外。

（9）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。润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在**过额定转速以上的高速范围内，有可能发生润滑油用光的危险。因此，不要**过转速容许值。

（10）变频器驱动绕线转子异步电动机时，大多是利用已有的电动机。

绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比，绕线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跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。一般绕线电动机多用于飞轮力矩GD2较大的场合，在设定加减速时间时应多注意。

（11）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的标幺值的乘积。

（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情况下，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。因此，应了解工频运行情况，选择比其较大电流更大的额定输出电流的变频器。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通常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）当变频器控制罗茨风机时，由于其起动电流很大，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）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久运行。

（15）单相电动机不适用变频器驱动。

二、变频器的安装与接线规范

1. 安装环境

为了变频器能稳定地工作，必须确保变频器的运行环境满足其所规定的容许环境。

安装场所

电气室应湿汽少、无水浸；

无爆炸性、燃烧性或腐蚀性气体和液体，粉尘少；

维修检查容易进行；

应备有通风口或换气装置以排出变频器产生的热量。

2. 使用条件

变频器的运行温度多为：0～40或－10～50，要注意变频器柜体的通风性。

变频器的周围湿度为90％以下。周围湿度过高，存在电气结缘降低和金属部分的腐蚀问题。如果受安装场所的限制，变频器不得已安装在湿度高的场所，变频器的柜体应尽量采用密封结构。为防止变频器停止时结露，有时装置需加对流加热器。

变频器周围不应有腐蚀性、爆炸性或燃烧性气体以及粉尘和油雾。变频器的安装周围如有爆炸性和燃烧性气体，由于变频器内有易产生火花的继电器和接触器，所以有时会引起火灾或爆炸事故。有腐蚀性气体时，金属部分产生腐蚀，影响变频器的长期运行。如果变频器周围存在粉尘和油雾时，这些气体在变频器内附着、堆积将导致结缘降低；对于强迫风冷的变频器，由于过滤器堵塞将引起变频器内温度异常上升，致使变频器不能稳定运行。

变频器的耐振性应机种的而不同，振动**过变频器的容许值时，将产生部件紧固部分松动以及继电器和接触器等的可动部分的器件误动作，往往导致变频器不能稳定运行。对于机床、船舶等事先能预见的振动场合，应考虑变频器的振动问题。

变频器的标高多规定在1000m以下。标高高则气压下将，容易产生结缘破坏。另外标高高冷却效果也下降，必须注意温升。

3. 变频器接线

在各种工厂和设备采用变频调速时，在变频器的电源侧和电机侧都会产生谐波干扰，对供电电网和变频器周围的其他电气设备要产生EMC干扰。另外为了确保变频器长期可靠的运行，变频器的接线是非常重要的。

什么是EMC？

EMC即是"电磁兼容性"。它是指电气设备在电磁环境中良好的工作能力，并且不能产生在此环境中工作的其他设备所不能接受的电磁干扰。

图1

噪声发射和抗扰度

EMC决定于与电气设备有关的两个特性－噪声发射和抗扰度。规定噪声发射和抗扰度的极限值取决于电气设备应用时所处的环境。一般分为第一类环境（民用环境）和第二类环境（工业环境）。民用环境即当电气设备接至公共电源系统时对噪声发射具有严格规定，但可以要求有较低的抗扰度；相反，在工业环境中，对电气备的抗扰度要求很高，但对噪声发射要求却较低。

图2

如果电气设备是系统的一个组成部分，它不要求一开始就满足有关发射和抗扰度的任何要求，但是整个系统必须符合相关电磁兼容的要求。一般来说，电气设备必须同时具有对高频和低频干扰的抑制能力。其中高频干扰主要包括静电放电（ESD）、脉冲干扰和发射性频率的电磁场等；而低频干扰主要是指电源电压波动、欠压和频率不稳定等。

图3

变频器及其电磁兼容性

通常变频器能够运行在一个可能存在着较高电磁干扰（EMI）工业环境中，此时即是噪声发射源，可能又是噪声接受器。

图4 变频器输出电压U和故障电流Is的波形图

（1）变频器作为噪声发射源寄生电容Cp存在于电机电缆和电机内部，因此变频器的PWM输出电压波形的开关翼部通过寄生电容产生一个高频脉冲噪声电流 Is，使变频器成为一个噪声源。由于噪声电流Is的源是变频器，因此它一定要流回变频器。图中Ze为大地阻抗，Zn为动力电缆与地之间的阻抗。噪声电流流过此二阻抗所造成的电压降将影响到同一电网上的其他设备，造成干扰。此外，变频器的整流部分也会产生低频谐波，导致电网电压产生畸变。

图5 带有屏蔽电机电缆的噪声电流流向

如果高频噪声电流Is有一条正确的通道，则高频噪声是可以得到抑的。如果使用非屏蔽电机电缆，则高频噪声电流Is以一个不确定的路线流回变频器，并在此回路中产生高频分量压降，影响其他设备。为使高频噪声电流Is能沿确定路线流回变频器，需要采用屏蔽电机电缆。电缆屏蔽层必须连接到变频器外壳和电机外壳上。当高频噪声电流Is必须流回变频器时，屏蔽层形成一条较有效的通道。

虽然，噪声电流不会在ZE上出现压降，但是在电源阻抗ZN上还会出压降影响其他电气设备。

图6

为此，无线电干扰抑制滤波器应安装在变频器的输入端。这样一来流会电源的噪声电流会大大减少。

图7

（2）变频器作为噪声接受器

图8 无屏蔽信号电缆的耦合电容

将EMC影响减为较小的措施

西门子公司所有变频器设计为运行在一个可能存在着较高的电磁干扰（EMI）工业环境中。通常，好的安装经验可以确保变频器安全和无故运行。然而，如果遇到问题，请参考以下的建议及相关措施。

（1）确保传动柜中的所有设备接地良好，使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上。特别重要的是，连接到变频器的任何控制设备（比如一台PLC）要与其共地，同样也要使用短和粗的导线接地。采用扁平导体（例如金属网）因其在高频时阻抗较低。

电机电缆的地线应直接连接到相应变频器的接地端子（PE）。

（2）安装变频器时，建议安装板使用无漆镀锌钢板，以确保变频器的散热器和安装板之间有良好的电气连接。

（3）为有效的抑制电磁波的辐射和传导，变频器的电机电缆必须采用屏蔽电缆，屏蔽层的电导必须至少为每相导线芯的电导的1／10。

图9

（4）控制电缆使用屏蔽电缆。一般来说，控制电缆的屏蔽层应直接在变频器的内部接地，另一侧通过一个高频小电容（例如3.3nF／3000V）接地。当屏蔽层两端的差模电压不高和连接到同一地线上时，也可以将屏蔽层的两端直接接地。信号线和它的返回线绞合在一起，能减小感性耦合引起的干扰。绞合越靠近端子越好。模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线。不同的模拟信号线应该独立走线，有各自的屏蔽层，以减少线间的耦合。不要把不同的模拟信号置于同一个公共返回线。低压数字信号线使用双屏蔽的双绞线，也可以使用单屏蔽的双绞线。

一、引言

　　随着国内变频器技术的飞速发展，变频器生产厂家的迅速崛起，变频器的应用大户、制造厂家迫切需要变频器性能测试，优化加载设备。如何选择有效的测试机组成为一个值得研究的课题。 

　　二、滑差电机原理介绍

　　由于以下的内容中，多用到电磁调速异步电动机，俗称滑差电机，因此，有必要对滑差电机的原理做一个简单的介绍。电磁调速异步电动机是由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。 

　　图1是电磁滑差离合器结构示意图，包括电枢、磁较和励磁线圈三部分。电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与鼠笼式异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分;磁较做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。主动部分和从动部分在机械上无任何。当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁较。此时若电枢被鼠笼式异步电动机拖着旋转，那么它便切割磁场相互作用，产生转矩，于是从动部分的磁较便跟着主动部分电枢一起旋转，前者的转速低于后者，因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时，电枢才能切割磁力线。磁较随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别，所不同的是:异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生，而电磁滑差离合器的磁场则由励磁线圈中的直流电流产生，并由于电枢旋转才起到旋转磁场的作用。

图1 电磁滑差离合器基本结构示意图

　　当稳定运行时，负载转矩与离合器的电磁转矩相等。当负载一定时，励磁电流的大小决定从动部分转速的高低，励磁电流愈大，转速愈高;反之，励磁电流愈小，转速就愈低。根据这一特性，可以利用电气控制电路非常方便地调节从动部分的转速和转矩。

　　三、单台滑差电机堵转法

　　本方法是直接采用单台滑差电机，将滑差电机主轴输出(图1所示)，通过机械与机座硬连接，此时，输出主轴的速度一直为零。通过在励磁线圈上加载直流电压来调节励磁电流的大小和输出转矩大小，从而用于调节负载的大小，如图2所示。

图2 单台滑差电机堵转法示意图

　　该方法需要用户自备一个0~60~90V/2~8A(较大)的直流可调电压源。如果无合适的电源，可以采用调压器加整流滤波电路来实现，如图3所示。另外，由于购买滑差电机的时候，一般附带了调速器，因此可以通过取消原滑差电机调速器中的电压闭环控制部分改制成单相SCR调压电路来实现。但是这种方法的缺点是电压输出为非线性，在起始段，输出电压变化缓慢，加载较慢，在高输出电压的时候，输出电压变化较快，负载调整比较困难。

图3 直流励磁电压产生电路―调压整流电路图

　　该方法的优点是简单，成本低，适用于中小功率变频器中高速加载试验场合。由于通过励磁不能够实现快速的加卸载，故不能实现动态性能的测试，也不能实现发电状态的性能测试。另外，由于低速时，滑差电机滑差头相对运行速度低，不能够实现低速加载。

　　四、两台异步电机通过滑差电机对拖法

　　本方法是采用一台滑差电机与另外一台异步电机同轴连接, 两台电机可以通过两台变频器分别来驱动, 如图4所示。

图4 两台异步电机通过滑差电机对拖法示意图

　　本方法可以通过在励磁线圈上加载直流电压来调节负载大小，也可以通过调节两台电机的相对速度来调整负载大小。即可以实现反向电动运行的加载，也可以实现同相发电运行的加载。由于存在相对速度，相比以上三种单滑差电机的方案，可以实现零速或者低速的加载。缺点是由于滑差电机加载采用电磁感应和滑差实现，加载响应速度慢，不能够实现快速加载，因此还不能够满足高精度、快速的性能测试。

　　五、两个交流电机对拖法

　　本方法是采用两台同功率的异步电机同轴连接，两台电机通过两台变频器分别来驱动，如图5所示。其中一台电机通过测试变频器驱动，另外一台电机通过具有精确转矩控制功能的闭环矢量控制变频器来驱动，如Emerson的TD3000系列产品。改变转矩的大小和方向，就可以实现作为被测电机的负载，就可以验证测试变频器的性能。

图5 两个交流电机对拖法

　　本方法可以实现反向电动运行的加载，也可以实现同相发电运行的加载。由于为闭环转矩控制，可以实现零速、低速和高速的高转矩高精度的加载。由于电机连接为机械硬连接，异步电机的转矩响应相比滑差电机较快，加载响应速度较快，可以满足大多数场合的测试要求，但是对于高精度、快速的性能测试还不能够完全满足。

　　六、交直流机组对拖法

　　本方法是采用一台直流电机和另外一台异步电机同轴连接，如图6所示。其中异步交流电机通过被测变频器来驱动，直流电机通过一台可以四象限运行的直流调速器来驱动。直流电机通过精确的转矩控制，改变测试转矩的大小和方向，就可以实现被测电机的负载任意变化，就可以验证测试变频器的性能。

　　本方法可以实现反向电动运行的加载，也可以实现同相发电运行的加载。由于为直流电机闭环转矩控制，可以实现零速、低速和高速的高转矩高精度的加载。由于电机连接为机械硬连接，直流电机的转矩响应快，加载响应速度就快，基本可以满足绝大多数场合的测试要求，是目前较理想的测试方法。

　　七、结束语

　　通过对以上四种变频器负载试验方法的分析，可以看出各种方法都有优缺点。至于用户需要选择什么样的测试方案，需要根据测试目的，选用不同的测试方案。需要强调的一点是，如果用户在以上4、5、6节描述的机组中间，加入转矩传感器，就可以精确知道电机的输出转矩。笔者书写本文的目的是为了回答许多客户和**经常咨询的负载调测的有关问题，对于变频器生产、设计厂家、变频器用户等均有一定的借鉴作用。