一、引言
　　
　　交流變頻調速是集電力電子、自動控制、微電子學和電機學等技術之精華的一項*，自問世以來倍受矚目。它以優(yōu)異的調速性能、顯著的節(jié)電效果和廣泛的適用性而被國內外*為世界上應用zui廣、效率zui高、的電氣傳動方案。隨著計算機技術、微電子技術和電力電子技術的發(fā)展,變頻技術得到了迅速提升，應用日漸廣泛。變頻調速在調速范圍、調速精度、動態(tài)響應、輸出轉矩、智能控制、節(jié)約電能等方面的優(yōu)異性能，是其它交流調速方式*的，特別是在節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質量、提高設備的效率方面，獲得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。
　　
　　二、變頻技術的發(fā)展
　　
　　隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來。由于換向器的存在，直流電機的維護量加大，單機容量、zui高轉速以及使用環(huán)境都受到限制。人們開始轉向結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的異步電動機。但異步電動機的調速性能難以滿足生產(chǎn)的需要。于是，從20世紀30年代開始，人們致力于交流調速技術的研究，然而進展緩慢。在相當長的時期內，直流調速一直以其優(yōu)異的性能統(tǒng)治著電氣傳動領域。20世紀60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術、控制技術和微電子技術的飛速發(fā)展，使得交流調速性能可以與直流調速媲美。目前，交流調速已進入逐步代替直流調速的時代。
　　
　　20世紀80年代,脈寬調制變壓變頻（PWM—VVVF）調速研究引起了人們的高度重視，并得出諸多優(yōu)化模式,其中以鞍形波PWM模式效果*。20世紀80年代后半期開始,美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應用，但它的靜態(tài)調速精度較差。
　　
　　之后出現(xiàn)的轉差頻率控制變頻是根據(jù)速度傳感器的檢測,可以求得轉差頻率△f,再把它與速度設定值f相疊加,以該疊加值作為逆變器的頻率設定值f1,實現(xiàn)轉差補償。與VVVF相比,其高速精度大為提高。但是,使用速度傳感器求取轉差頻率,要針對具體電動機的機械特性調整控制參數(shù),因而這種控制方式的通用性較差。
　　
　　矢量控制變頻技術的做法是:根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學模型,利用坐標變換的手段,將交流電機的定子電流分解成磁場分量電流和轉矩分量電流,并分別加以控制,即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，對電動機的磁場和轉矩分別進行控制,以獲得類似于直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義，然而在實際應用中,由于轉子磁鏈難以準確檢測,系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜,使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。
　　
　　1985年,德國魯爾大學的DePenbrock教授提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前,該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。
　　
　　直接轉矩控制變頻是利用空間電壓矢量PWM控制電動機的磁鏈和轉矩實現(xiàn)的。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機,因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。
　　
　　矩陣式交-交變頻,省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。
　　
　　三、變頻技術的應用
　　
　　變頻技術主要應用在以下幾個方面：
　　
　　3.1 節(jié)能
　　
　　我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統(tǒng)的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，zui有效的節(jié)能措施就是采用變頻器來調節(jié)流量、風量，應用變頻器節(jié)電率為20％～50％。與此類似，許多變動負載電機一般按zui大需求來設計，設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因此推廣交流變頻調速裝置效益顯著。
　　
　　作為節(jié)能目的,變頻器廣泛應用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調、水處理等行業(yè)中。以電力行業(yè)為例,由于中國大面積缺電,電力投資將持續(xù)增長,同時,國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求,降低內部電耗成為電廠關注焦點,因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?變頻器的節(jié)能應用前景非常廣闊。
　　
　　3.2 工藝控制（速度控制）
　　
　　由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，在許多需要速度控制的應用中，變頻器正在發(fā)揮著提高工藝質量和生產(chǎn)效率的顯著作用。以紡織行業(yè)為例，中國具有世界zui大的紡織產(chǎn)品生產(chǎn)能力,市場范圍遍及，產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大。紡織與化纖行業(yè)也是變頻器應用zui多的行業(yè)。在zui常見的化纖機械設備中，選用變頻器的設備有螺桿擠出機、紡絲機和后加工機等。選用變頻器較多的棉紡設備主要有細紗機、粗紗機、精梳機等。這些設備都要求速度控制、多單元同步傳動或比例同步（牽伸）傳動等。應用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質量，同時減輕工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。可以說，變頻器是紡織行業(yè)增強競爭能力的重要裝備。
　　
　　此外，在食品、飲料、包裝、造紙、機床、電梯等行業(yè),國內的企業(yè)需要擴大生產(chǎn)規(guī)模,提高生產(chǎn)技術,變頻器的應用前景和發(fā)展?jié)摿Χ疾豢尚∮U。
　　
　　3.3 軟啟動
　　
　　交流電動機的啟動電流一般為5-7倍額定電流，如果直接啟動會對電網(wǎng)引起沖擊，影響同一電網(wǎng)上其他電氣設備的正常運行。另外巨大的啟動電流對電動機和機械設備也會造成嚴重的電磁應力和機械應力，縮短設備的使用壽命，因此電力系統(tǒng)希望能夠軟啟動（特別是高壓大容量電動機）。某些加工機械，例如自動流水生產(chǎn)線（瓶、罐包裝線，輸送機等），要求平穩(wěn)啟動和停車以免相互碰撞倒歪；水泵為了防止水錘、喘振現(xiàn)象，也希望軟啟動和軟停止（是“泵控特性”的軟啟動和軟停止）。
　　
　　變頻器可以調整通過輸出電壓的頻率，從低頻開始，一直調到額定頻率，從而實現(xiàn)電機的軟啟動/停止，降低啟動/停止沖擊。
　　
　　3.4 變頻家電
　　
　　在普通家庭中,節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來越多的關注,變頻家電成為變頻技術應用的另一個廣闊市場。它在節(jié)能、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度、延長使用壽命等方面有很大的優(yōu)勢。以變頻微波爐為例,它是以變頻器替代了傳統(tǒng)微波爐內的變壓器,變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉換成為20000～45000Hz的高頻率,通過改變頻率來得到不同的輸出功率,解決了傳統(tǒng)微波爐加熱不均勻的弊端,實現(xiàn)了真正意義上的均勻火力調控。除此之外,與傳統(tǒng)微波爐相比,變頻微波爐還具有機身輕巧、噪音小、烹飪速度快、節(jié)電等特點。
　　
　　目前,中國是世界上zui主要的家電供應國,但家電采用變頻器的比例很低,而在日本,90%以上的家電是變頻控制。因此,變頻家電具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?br />　　
　　四、變頻器的試驗要求
　　
　　近年來，交流變頻調速技術在我國有了突飛猛進地發(fā)展，我國的變頻器產(chǎn)業(yè)從無到有不斷壯大，發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有大大小小的變頻器生產(chǎn)廠70多家，年銷售額在7億元左右，但這只占全國變頻器市場容量的一小部分，80%~90%的國內市場被各種國外變頻器所占領。回顧我國變頻器的發(fā)展歷程，結合我國國情開發(fā)出性能*、適銷對路的產(chǎn)品，逐步擴大*，是國人的期盼。而市場經(jīng)濟是依靠法規(guī)形式來規(guī)范、協(xié)調市場行為的，標準也將作為法律、法規(guī)的技術支撐來參與規(guī)范和調控市場。只有及時地了解*標準的發(fā)展水平，制定符合我國國情的標準，提高企業(yè)的標準化意識，才能提高產(chǎn)品質量，推進行業(yè)的發(fā)展和進步。
　　
　　全國電力電子學調速電氣傳動系統(tǒng)半導體電力變流器標準化技術委員會是在國內外電氣傳動調速產(chǎn)品迅速發(fā)展的形勢下于2000年成立的，秘書處掛靠在天津電氣傳動設計研究所，負責國家電氣傳動調速系統(tǒng)技術領域內的標準化技術工作的組織及歸口，涉及的產(chǎn)品主要是國民經(jīng)濟基礎工業(yè)交直流電氣傳動設備。目前已制訂了6項電氣傳動調速系統(tǒng)的國家及行業(yè)標準：GB/T3886.1-2002、JB/T10251-2001、GB/T12668.1-2003、GB/T12668.2-2003、GB/12668.3-2004、GB/T12668.4。此外，GB/12668.5、GB/12668.6正在進行zui后階段的審批。
　　
　　變頻器的試驗類型包括型式試驗、出廠試驗、抽樣試驗、選擇試驗、車間試驗、驗收試驗、現(xiàn)場調試試驗、目擊試驗。
　　
　　1）型式試驗：對按照某一設計制造的一個或數(shù)個部件進行的試驗，用于說明該設計滿足特定的技術要求。
　　
　　2）出廠試驗：在制造期間或制造之后對各個部件進行的試驗，用于確定其是否符合某一準則。
　　
　　3）抽樣試驗：在一批產(chǎn)品中隨機抽取的一些部件上進行的試驗。
　　
　　4）選擇試驗：除型式試驗和出廠試驗之外，按照制造廠之意，或經(jīng)過制造廠和用戶或其代理人協(xié)商而進行的試驗。
　　
　　5）車間試驗：為了驗證設計，在制造廠的實驗室里對部件或設備進行的試驗。
　　
　　6）驗收試驗：合同上規(guī)定的、用以向用戶證明該部件滿足其技術規(guī)格中某些條件的試驗。
　　
　　7）現(xiàn)場調試試驗：在現(xiàn)場對部件或設備進行的試驗，用于驗證安裝和運行的正確性。
　　
　　8）目擊試驗：在客戶、用戶或其代理人在場的情況下進行的上述任何一種試驗。
　　
　　變頻器標準試驗項目見表4-1：　　　　
　　其中電氣試驗方面主要的是測量變頻器的輸入、輸出值，主要包括以下幾個值：
　　
　　1）輸入值
　　
　　──額定輸入電壓；
　　
　　──額定輸入電流；
　　
　　──輸入頻率；
　　
　　──額定容量；
　　
　　──有功功率；
　　
　　──功率因數(shù)；
　　
　　──相數(shù)；
　　
　　──輸入各次諧波；
　　
　　──輸入總失真度。
　　
　　2）輸出值
　　
　　──zui大額定輸出電壓；
　　
　　──額定連續(xù)電流；
　　
　　──額定功率；
　　
　　──頻率范圍；
　　
　　──過載能力（過載能力適用于額定的轉速范圍）；
　　
　　──輸出各次諧波；
　　
　　──輸出總失真度；
　　
　　──相數(shù)；
　　
　　──輸出相序。
　　
　　3）效率
　　
　　在設計的頻率范圍內，各個頻率下的效率。
　　
　　五、變頻器的測量與儀器
　　
　　5.1 測量儀器儀表簡介
　　
　　目前常見的測量儀表很多，這里僅介紹幾種常見的儀表。
　　
　　1）動鐵式儀表
　　
　　這種儀表測量的是有效值，它的值由固定線圈磁場與其內可動鐵之間相互作用的電磁力所確定的偏轉角度而確定。讀數(shù)誤差由動鐵的磁飽和以及諧波對線圈內電感的影響引起。儀表精度一般是0.5級。
　　
　　2）整流式儀表
　　
　　交流電流經(jīng)整流然后作用于動圈式直流表，按交流電流的有效值確定刻度。其有效值是由整流平均值乘以波形系數(shù)求出的。市場上可買到的該種儀表基本是用于測量正弦電流的。而正弦電流的波形系數(shù)是π／（2）=1．11。因此在測量非正弦電流的波形時．應該注意波形系數(shù)。典型的儀表精度是1.0級。
　　
　　3）熱電式儀表
　　
　　溫升與測量電流產(chǎn)生的熱量成正比，這個溫升被熱電偶轉換為直流電動力，其電流有效值由直流毫伏表指示。
　　
　　4）電動式儀表
　　
　　電流指示值具有均勻的刻度，其指針偏轉角度等于兩個線圈間的力，也就是它的驅動轉矩（Im×IF×dT／dθ）電流IF是與負載串聯(lián)的固定線圈內的電流；電流Im正比于動圈中的電壓）。典型精度為0.5級。
　　
　　5）諧波分析儀
　　
　　輸入信號經(jīng)高速A/D采樣，經(jīng)過數(shù)字運算，將數(shù)據(jù)存儲于緩沖存儲器內，結果顯示在屏幕上。可測量電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等，以及進行諧波分析，測量顯示電壓、電流、功率等的基波值和各次諧波值，并顯示其曲線。
　　
　　目前zui常用的變頻器主電路一般為交—直—交組成，外部輸入工頻電源，經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。在整流回路中接有大電容，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形可進行DFT變換分解為基波和各次諧波。在逆變輸出回路中,輸出電壓信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形，輸出回路電壓信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波。其他類型的變頻器也類似，輸入、輸出都不是標準的正弦波，有較多的高次諧波含量。因此，在測量儀器的選擇上，與傳統(tǒng)的測量就有所不同。
　　
　　一些傳統(tǒng)的儀表一般不適合變頻器的測量。目前特別適于變頻器測量的儀器是諧波分析儀，主要型號有日本橫河（YOKOGAWA）的WT系列諧波分析儀，如WT1600、WT3000等產(chǎn)品。這類產(chǎn)品，不僅可以測量出基本的電參數(shù)，并且針對變頻器做了一些特殊設計，比如測量模塊比較多，可以同時測量輸入、輸出參數(shù)，進行諧波分析，測量真功率因數(shù)，而且?guī)挶容^寬，可以從DC到1MHz，精度也很高，一般可以達到0.15級或0.02級。顯示也很方便，可以顯示數(shù)值、波形、諧波柱狀圖、三相矢量圖等。同時，也可以測量變頻器驅動的電機的機械輸出，如電機轉速、扭矩等，這樣可以更方便的測量變頻器的驅動能力及驅動效果。可以說，一臺WT系列的諧波分析儀可以替代一堆傳統(tǒng)儀表，提高了測量的準確度、方便性，從而大大提高測試的效率。
　　
　　5.2 變頻器測試
　　
　　對變頻器進行測試的電路如圖5－1所示。　　　　
　　此測試電路是一個完整的變頻器測試方案，包括三相電源輸入、三相輸出、驅動的電機的機械輸出（轉速、扭矩）等。如果被測的變頻器功率較大，輸入、輸出電流超過了儀器的量程，就需要在電流的測量回路里接入CT（電流互感器），把被測電流轉變成儀器的測量量程內。
　　
　　測試電路里的諧波分析儀是橫河公司的WT1600（如圖5－2）。該儀器有6個模塊，可以同時輸入6個電壓、6個電流，同時有電機測試模塊，可以測量電機的轉速、扭矩等。一臺WT1600不僅可以測量變頻器的輸入、輸出電壓、電流、功率、效率等參數(shù)，還可以測量電機的扭矩、轉速、滑差、機械輸出功率、電機效率等，以及變頻器系統(tǒng)的總效率。　　　　
　　1）輸入側的測量
　　
　　變頻器輸入電源是50Hz交流電源，其測量基本與標準的交流工業(yè)電源的測量相同，但是由于變頻器的輸入側是整流電路，電流的波形一般不是標準的正弦波。典型的輸入波形如圖5－3。如果輸入電壓或電流較大，超過了諧波分析儀的測量量程，可以接入VT或CT。但要注意，由于電流不是正弦波，含有較多的諧波含量，因此，CT選擇時要考慮頻率范圍。　　　　
　　輸入功率的測量可以采用2表法（3P3W），即測量兩個電壓線電壓Vab、Vcb和2個電流Ia、Ic，從而計算出輸入有功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。但是，由于輸入端生產(chǎn)設計引起不平衡的，特別是小容量的變頻器，其中的一相里往往有變頻器本身的消耗，造成三相電流不平衡。這樣要測量三個線電壓、三相電流，即3V3A法才能夠保證測量結果的準確性。
　　
　　傳統(tǒng)的有功功率的計算公式為：
　　
　　P＝Urms×Irms×cosφ（5－1）
　　
　　式中：
　　
　　P：有功功率
　　
　　Urms：電壓有效值
　　
　　Irms：電流有效值
　　
　　φ：電壓電流夾角
　　
　　但是，變頻器的輸入電流包括高次諧波，很難測量出相位角，按傳統(tǒng)公式計算會產(chǎn)生較大誤差。
　　
　　橫河（YOKOGAWA）的WT系列的諧波分析儀，使用數(shù)字采樣方法。該法對的有效采樣周期內獲取的瞬時波形數(shù)據(jù)的總和進行平均。總和由樣本數(shù)N平均，得出一個功率值（如圖5－4）。　　　　
　　計算公式為：
　　
　　（5－2）
　　
　　式中：
　　
　　u（t）：時刻“t”的電壓瞬時值
　　
　　i（t）：時刻“t”的電流瞬時值
　　
　　Δt：采樣時間間隔
　　
　　N：總采樣樣本數(shù)
　　
　　相應的，標準正弦波的功率因數(shù)PF＝cosφ。對于變頻器來說，PF＝P/S。
　　
　　對于三相系統(tǒng)來說，功率因數(shù)的計算公式為：
　　
　　（5－3）
　　
　　式中：
　　
　　ΣPF：三相功率因數(shù)
　　
　　ΣP：三相有功功率
　　
　　ΣS：三相視在功率
　　
　　但是，對于不同的測量方式，ΣΡ和ΣS的計算公式是不一樣的。對于不平衡電路來說，我們一般采用3V3A法測量，因此計算公式如下：

                  （5－4）
　　
　　式中：
　　
　　ΣPF：三相功率因數(shù)
　　
　　P1：*路有功功率
　　
　　P2：第二路有功功率
　　
　　S1：*路視在功率
　　
　　S2：第二路視在功率
　　
　　S3：第三路視在功率
　　
　　采用諧波分析儀對各次諧波進行分析，然后對系統(tǒng)進行綜合分析判斷。
　　
　　電壓總的畸變率Uthd：

                                                （5－5）
　　
　　式中：
　　
　　U（1）：基波電壓
　　
　　U（k）：k次諧波電壓
　　
　　Max：zui大諧波次數(shù)
　　
　　電流的總畸變率Ithd：                     　（5－6）
　　
　　式中：
　　
　　I（1）：基波電流
　　
　　I（k）：k次諧波電流
　　
　　Max：zui大諧波次數(shù)
　　
　　作為對低壓配電線的高次諧波的管理指導值，電壓的總畸變率應在5％以下。所以當Uthd為5％以上時，請接入交流電抗器或直流電抗器，以抑制高次諧波電流。
　　
　　2）輸出側的測量
　　
　　變頻器的輸出波形見圖5－5，是頻率可變的信號，含有較多的高次諧波，而電動機轉矩主要依賴于基波電壓有效值。因此，需要測量的電壓值，或者說一般變頻器的額定電壓值是基波有效值。對PWM類型的變頻器來說，PWM電壓的整流平均值正比于其輸出電壓基波有效值。日本電機學會（JEMA）規(guī)定：使用平均整流方法來計算有效值，因為該值更合適地反映了驅動電機的輸出轉矩。　　　　
　　平均整流值的計算公式為：             （5－7）
　　
　　校正后的平均整流值值的計算公式為：             （5－8）
　　
　　校正后的值指的是當測量對象是正弦波時，校正值等于有效值。橫河公司的WT1600等WT系列諧波分析儀，可以同時測量有效值、整流平均值等數(shù)值，用戶可以根據(jù)需要進行方便的選擇。
　　
　　輸出電流、輸出功率、功率因數(shù)等的測量方法，與上面說的輸入側基本相同，就不再贅述了。
　　
　　變頻器的效率為：                                                  （5－9）
　　
　　式中：
　　
　　η：變頻器效率
　　
　　ΣPout：變頻器輸出有功功率
　　
　　ΣPin：變頻器輸入有功功率
　　
　　WT1600還可以測量電機的機械輸出，可測量電機的速度和扭矩傳感器的輸出，然后計算扭矩、旋轉速度、機械功率、同步速度、滑差等，實現(xiàn)在一臺儀器上測量電機效率與總效率。
　　
　　六、結束語
　　
　　隨著變頻技術的發(fā)展，對測量也提出了更高的要求。而測量儀表廠家，也根據(jù)變頻器的發(fā)展和需求而進行進一步的儀器開發(fā)，不斷推出新產(chǎn)品，以滿足測試的新需求。比如目前變頻技術的日益復雜化，一些非標準的正弦調制的PWM波形出現(xiàn)，經(jīng)常發(fā)生輸出電壓的整流平均值與基波有效值不相等的情況，針對這種情況，橫河公司推出WT系列的型號WT3000，在不改變測量模式的情況下，改進了設計，使其可以同時測量常規(guī)項目如整流有效值以及諧波如基波有效值等，從而使用戶可以自己進行數(shù)據(jù)對比。
　　
　　總之，產(chǎn)品與測量手段是相輔相成、互相促進的，二者都會隨著技術的發(fā)展而推陳出新。