如何选择电机的变频器？
异步电机的变频调速得到了广泛的应用。逆变器设计有很多种。变频器的供应商为了宣传自己的产品，大力宣传自己的优势，而其他产品的劣势则让人眼花缭乱。变频器的用户经常会问很多关于如何合理应用和比较方案的问题，变频器的开发者在论证方案时也经常会问产品定位和前景的问题。笔者根据自己多年从事这方面的经验，就以下几个问题谈谈自己的看法。
各种各样的产品，只要在市场上站稳脚跟，必然有各自的优缺点。市场是无情的。如果都是缺点，产品就会被淘汰。如果都是优点，就会淘汰别人。笔者希望通过这个论坛引起讨论，摆脱商业炒作，还事物本来面目。以下为个人观点，仅供参考。涉及部分价格，均用于方案对比，并非实际购物价格，不涉及商业活动。
(1)大功率节能调速的合理电压等级
大、中功率风机、水泵采用变频调速可以节省大量电能，大部分功率在0.2-2MW范围。目前我们200KW以上的电机大部分是中压，电压等级10KV，少量6KV。选择10KV“直接”变频从技术经济角度来看是不合理的。所有的“直接”变频都不是真正的直接变频，它的输入侧有变压器，所以电机和逆变器没有必要和电网电压一致。本文讨论了不同功率段的合理电压水平。
(2)高性能速度控制系统中的矢量控制和直接转矩控制。
高性能调速系统中的矢量控制发明于20世纪70年代末，80年代商业化，至今仍被大多数公司采用。直接转矩在20世纪80年代末被发明，被一些公司采用，在90年代初商业化，并作为新一代技术被广泛宣传。本文介绍了作者对这两种制度的看法。
(3)有速度(位置)传感器和无速度(位置)传感器系统。
在矢量控制和直接转矩控制系统发展的初始阶段，需要安装速度(位置)传感器(编码器)。有些场合很难安装编码器，所以开发了无速度(位置)传感器系统，虽然不如前者，但比V/f开环系统好。现在有些宣传说无编码器系统的低速启动性能达到了编码器系统的水平，这是模棱两可的。本文讨论了何时安装编码器，何时不安装编码器。
2大功率节能调速传动的合理电压等级
大中型动力风机和水泵采用变频调速可节省大量电能，大部分功率在200-2000KW范围。我们现有的交流电机是200KW，200KW以下低压380V，200KW以上中压:3KV，6KV，10KV。电力部门从降低线损的角度出发，希望提高供电电压。3KV已经取消，6KV正在淘汰，10KV正在大力推广，未来可能会提升到20KV。从简化配置出发，用户自然提出要求，希望200KW以上的电机、变压器也采用10KV。不幸的是，这个合理的要求在技术上难以实现，在经济上也很昂贵，因为:
A.10KV电机制造难度不大，但随着电压的提高，绝缘等级提高，电机重量和价格也随之提高。以YJS系列4极560KW电机为例:380V重3.6T，价格110000；6KV重3.9T，价格1.5万；10KV重4.4T，造价20万。
B.受电力电子器件电压和电机允许dv/dt的限制，10KV逆变器必须是多电平、多器件串联的。这导致线路复杂，价格高，可靠性差。如果1700V IGBT装置用于10KV逆变器，则需要10串和120个三相装置。如果使用3300V的器件，还需要5串***60的器件，数量巨大。另一方面，电流小，不能充分利用器件的电流容量。以560KW为例，10KV的电机电流只有40A左右，现在1700V的IGBT电流达到了2400A，3300V的器件电流达到了1600A，大量串联小电流器件而不使用大电流器件是极不合理的。即使电机功率达到2000KV，电流也只有140A左右，还是很小。
为了隔离电平，改善输入电流波形，减少谐波，所有的中压“直接变频器”都不是真正的直接变频器，它们的输入侧都装有输入变压器。这种安排短期内不会改变。由于输入侧有变压器，由于逆变器和电机的电压与电网电压相同，不需要使用10KV和6KV，因此存在逆变器和电机电压等级合理的问题。另外，以往电机中低压200KW的划界是考虑电机直接启动时确定的，启动电流为额定电流的7-8倍，10KV/380V电力变压器容量为2000KVA，短路阻抗约为6%，电机启动时380V母线压降限制在5%左右。如果变压器放大，短路电流太大，低压开关承受不了。变频器调速后，启动电流被限制在额定值，中低压边界条件也要相应变化。目前660V低压电机的容量已经达到1000-1200KW，这也为讨论合理的电压水平提供了依据。
本文的出发点是分析合理的电压水平:
A.低压变频器采用1200V或1700V IGBT，装置额定电流小于1800A-2400A，并联数量不超过2个。实现多并联比较麻烦，不如改成多电平串联，中压变频。
b中压变频采用的器件类型和电压等级很多，对应的电路方案也不同。本文以目前市场上比较流行的产品为基础，分别是基于1700V IGBT的DC电源复用(H桥串联)方案(SDM)和基于3300V、4500V、6000V IGBT的IGBT或IGCT或IEGT三电平方案(THL)。
文献[1]分析了合理的电压水平，这里就不赘述了。我只是列出以下观点:
800-1200kw以下变频调速应选择380V或660V电压等级。电路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt小，价格低廉。以560KW电机为例，630KW 660V 660 V低压变频器约50万台，同样容量2300V中压变频器约90万台..有几种实现方式:低-低，低-高，高-低，高-低-高。因为电机和变压器的价格远低于变频器，所以更换电机和变压器是合理的。
b中压变频可用于1000-1500 kw以上的调速。
国外中压变频器有多种电压等级:1.1KV、2.3 kV、3 kV和4.2 kV、6 kV，主要由电力电子器件的电压等级决定。当THL的设备不串联，SDM的桥不串联时，设备电压与逆变器电压的关系如表1所示。
表1无串联时设备电压和逆变器电压之间的关系
设备电压(V) 1700 3300 4500 6000
逆变器电压(KV) 1.1 2.3 3 4.2
目前装置最大电压6000V，逆变器最大电压4.2KV，无串联。6KV变频器必须串联，电路复杂，器件多，可靠性受影响。6KV逆变器国外很少做，10KV逆变器基本不做。SDM原理上通过H桥单元串联，变频器输出电压不受器件电压限制，可以更高，但提高电压的代价是大量器件，可靠性降低。对于同样输出功率的逆变器，串联使用更多电压更高的单元的成本要大于使用电压更低、数量更少、电流更大的单元的成本，也就是说在器件电流允许的情况下，电压水平要尽可能低。
很多应用都需要旁路功能，即当逆变器出现故障时，电机会被旁路，直接接入电网，恒速工作。为了降低逆变器的成本，当电压低于电网电压时，如何对电机进行旁路是一个需要解决的问题。这个问题是可以解决的。对于不同的逆变器旁路方式，逆变器旁路是指将电机直接接入电网，在逆变器出现故障时以恒定的速度工作。如果电机电压与电网电压一致，旁路就不是问题。为了降低逆变器的成本，当电机电压低于电网电压时如何进行旁路是这里要讨论的问题。
如果采用低压变频，变频器的输入交流电压与额定输出电压相同，电机可以绕过变频器直接接入低压380V或660V电源。
如果采用THL中压变频，可以将输入变频器的两个二次侧串联起来给电机供电，如图1所示。当三个开关接“1”时，变频器工作；当三个开关接入“2”时，它们被旁路，输入变压器的两组二次侧线路电压分别等于1.5Vm/2(Vm为电机的额定输入电压)，相差300。它们串联后的电压是1.5 VM cos 150 = 1.01 VM，这正好是供电机。
如果使用SDM变频器，输入变频器的二次侧太多，不可能通过改变接线来绕过变频器。只能旁路故障单元，故障单元的输出会通过触点短路，单元内的IGBT被阻断。在这种逆变器的设计中，考虑了旁路单元的工作条件。如果必须旁路变频器，只能加一个备用降压变压器，在一个电网上挂多台变频器的情况下是合理的。
在设计fibrechannel时，应注意检查电机直接启动时的启动转矩。比如变压器短路阻抗为6%，容量为变频器容量的1.1倍，电机启动电流为7倍，电机启动电压为0.72Vm，启动转矩为额定启动转矩的0.52倍，应该大于负载转矩。如果启动转矩不够，只能加大变压器容量或者选择小短路阻抗变压器。
高性能调速系统中的矢量控制和直接转矩控制
速度控制系统的任务是控制速度，速度是由转矩来改变的。速度控制系统的性能取决于转矩控制的质量。矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)的任务都是实现高性能的转矩控制，它们的调速部分是相同的。
异步电机的转矩等于磁链矢量和定子电流矢量的矢量积。磁链不能直接测量，需要通过定子电压电流和电机参数计算。
因为定子电压和电流都是交流量，处理起来比较麻烦。因此，在VC控制系统中，借助坐标变换，将它们转换成dq坐标系中的DC量，并将计算出的控制量变换回交流坐标系，产生PWM信号。为了在高速和低速时都获得良好的性能，必须使用电压和电流两种模型，这涉及到许多电机参数。
在DTC系统中，直接用交流电计算转矩和磁链，然后由转矩和磁链两个带-带控制器产生PWM信号，省去了坐标变换。在开发DTC的初期，没有考虑低速运行工况，而且基于定子磁链，只涉及一个电机参数，所以DTC供应商大力宣传DTC计算简单，涉及电机参数最少，精度高。实际上，在考虑低速运行工况后，DTC还必须引入电流模型，使用转子磁链，这和VC涉及的电机参数一样多，所以精度是一样的。DTC没有坐标变换，计算公式简单。但为了实现带带控制，必须在一个切换周期内计算多次，这就要求计算速度快。以ABB公司的ACS600系列为例，其计算周期为25 μ s，在VC中测量一个开关周期内电压和电流的平均值，然后计算一个周期，计算速度要求较低。以西门子公司的6SE70系列为例，他的计算周期是400μs，相差16倍。向量变换计算不过是四乘两加，以现在处理器的能力来说不算什么。另外，定子磁链也不是DTC的专利，有些VC系统也是基于定子磁链的。从产品样品来看，ACS600(DTC)的扭矩控制响应时间为5ms，6SE70(VC)的响应时间为5ms，对机械的快速响应来说是难以承受的。
有人认为DTC是利用磁链幅值的带-带控制来获得近似圆形磁场，磁链幅值的波动会导致转矩波动，而VC是连续控制，磁链幅值不变，没有转矩波动。这种观点也是不正确的。由于DTC中转矩带带控制的存在，平均转矩不会因为磁链的变化而波动，只影响电流波形。对于VC来说，由于逆变器工作在PWM模式下，在一个开关周期内不可控、不连续控制，还存在电流纹波和转矩纹波的问题。6SE70的扭矩纹波为2%。
综上所述，笔者认为两种系统没有本质区别，只是在实现转矩控制时走的路径不同，不存在谁比谁好，谁取代谁的问题。
4有速度(位置)传感器和无速度(位置)传感器系统。
在矢量控制和直接转矩控制系统开发的初始阶段，需要在电机轴上安装编码器来测量速度(位置)信号。有些场合很难安装编码器，所以开发了无速度传感器系统。无速度传感器系统是现在的热门话题，方法很多，但都是基于同一个原理——电压电流模型法。
电压模型使用较少的电机参数。当转速高于5-10%(高速)时，计算精度较高，低于5-10%(低速)时，由于电压太小，计算误差较大。目前的模型使用了很多电机参数，特别是受转子电阻变化的影响，计算误差略大，但这个误差与转速无关。在有速度传感器的系统中，高速时采用电压模型，控制精度高；目前的模型在低速下使用，虽然精度不如高速下，但还是可以正常运行的。在无速度传感器系统中，高速时的速度和角速度是通过比较电压电流模型的计算结果来辨识的，所以用速度传感器系统只能达到低速时的水平；低速时，由于电压模型不准确，参考没有了，无法辨识，系统只能放弃矢量控制，开环工作。目前市场上的无速度传感器矢量控制系统都是低速开环系统，性能较差。它们只适用于没有长期低速运行条件，高速时调速精度不高的场合。
有些公司声称他们的无速度传感器矢量控制系统在静止时也能产生全转矩，这是真的，但也有宣传的成分。因为在静止状态下，速度已知为零，不需要辨识，但一旦转向，长时间低速运转就不行了。
带编码器和不带编码器的6SE70系列变频器的性能如表2所示。
6结论
1)大功率节能调速采用6kv10kv“直接变频”不合理，应根据功率选择合理的电压等级。大功率变频器使用高电压，尽量使用大电流的器件，减少串联的器件数量。
2)矢量控制和直接转矩控制各有利弊，但不同公司走的路不同，不存在谁比谁好，谁取代谁的问题。
3)无速度传感器系统只适用于没有长时间低速工况，高速时性能要求不高的场合。
4)国内的实际情况是380v的电压等级在200 kW-315 kW功率等级的电机中占了很大一部分。
5)VC和dtc的优劣被大肆宣传。让他们争论吧。
6)从性价比角度考虑变频电压等级选择的合理性，315kw以下可选择380v，250-800kw可选择660v，500kw以上可选择6kv高-高变频或6kv，10kv高-低-高变频。
7)高-高产品价格高。高低高产品占据了变压器的位置，功耗略高，但可靠性好，价格也不错。