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一、变频调速系统的效率分析
（一）变频器的效率与损耗
变频器效率是指其本身变换效率。就变频器的两种形式而言：交—直变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交—直—交型。其变频器的损耗由三部分组成，整流损耗约占41%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。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，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、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗量小，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4%～96%，并随着变频器功率增大而提高。
（二）变频调速后电机效率的变化
变频调速后，电机的各种损耗和效率均有所变化。根据电机学理论，电机的损耗可分为铁心损耗、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。
铁心中的磁滞损耗表达式为：
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,但高次谐波及脉动电流增加了电机的铜耗。
杂散损耗及附加损耗：不论何种形式的变频器，变频后除基波外，还都产生高次谐波，这些附加的高次谐波的转矩方向与基波转矩方向相反，也会增加涡流损耗。
综上所述，变频调速后，电机的磁滞损耗、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，变频调速后电机电流增加10%，温升增加20%。
二、转矩控制型变频器的选型及相关问题
直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型每隔25us产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，给出其最佳开关量。由此可知，它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。
（一）选型原则
在选型前，根据机械对转速和转矩的要求，确定机械要求的最大输入功率。
P=n.•T/9950
式中：P为机械要求的输入功率，kW；n为机械转速，r/min；T为机械的最大转矩，N．m。
然后选择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步速度，但必须小于电机允许的最大速度。转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大转矩。最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流确定变频器的参数与型号。
应注意的是：变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40℃或25℃以下。若使用环境超出该规定，在根据变频器参数确定型号前要考虑由此造成的降容因素。
（二）变频器容量的选择
根据控制功能可将通用变频器分为普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器3种类型。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩（TL∝n2），低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器，如：西门子公司的MICROMASTER-430系列、东芝公司的VF-P系列变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速要求的机械采用具有转矩控制功能的高性能变频器则是比较理想的，因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性，如：日本富士公司的FRENIC5000G11/P11、三肯公司的SAMCO-L系列变频器。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械，应采用矢量控制高功能型通用变频器，如：安川公司的VS-61665系列、西门子公司的MICROMASTER-440系列变频器。
大多数变频器容量可从额定电流、可用电机功率和额定容量三个角度表述。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器的基本原则，必须保持在无故障状态下 负载总电流均不超过变频器的额定电流。
变频器供给电机的是脉动电流，电机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电机电流或功率大一个等级，一般为：PNV≥1.1PN（式中：PNV为变频器额定功率，kW; PN为电机额定功率，kw）。
三、变频调速在工业应用中应注意的问题
（一）负荷匹配问题
机泵负荷最大节能是选用型号、容量与实际负荷相匹配，其中包括机泵与所配电机的匹配、一般裕量应控制在10%以内。
（二）变频调速系统在应用中的抗干扰问题
1．抗电磁干扰的措施
为防止电磁干扰，可采用硬件和软件两种抗干扰措施，具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
2．隔离
在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以避免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。
加大受扰电路、器件或装置与干扰源之间的距离是降低干扰强度的一种行之有效的措施。但有时要求设备之间，装置的各种布线之间保持一定距离，在安装场合受到限制、设备要求体积小的情况下，这种要求往往很难得到满足。因此，尚需考虑其他措施。
此时可以采取将同一类信号线放在一条电缆管或槽中，而相近种类信号线若必须在同一电缆槽中走线，则一定要用金属隔板将它们隔开。
还有一种隔离是将信号源同变频器在电气上进行隔离，这样会大大地减小共模干扰对变频控制系统造成的危害。采用隔离放大器将信号的输入端子与变频器部分完全隔离。
3．屏蔽
对于电气屏蔽，采取的措施是将有关电路、元器件、或设备安装在铜、铝等低电阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物。
但在很多场合下，信号除了受电噪声干扰以外，主要还受到强交变磁场的影响（如电站、冶炼厂、重型机械厂等），那么我们除了要考虑电气屏蔽以外，还要考虑磁屏蔽，即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。
用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短，且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
4．滤波
当系统的抗干扰能力要求较高时，为减少对电源的干扰，在电源输入端可加装电源滤波器。为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因素，可在变频器输入端加装交流电抗器，选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定。为改善变频器输出电流，减少电机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器；为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。
5．接地
（1）保护接地。保护接地是将变频控制系统中平时不带电的金属部分与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。因此，必须将金属外壳和地之间作很好地连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。
（2）工作接地。工作接地是为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其他防爆系统中还有本安接地。
（3）供电系统地。在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂家强调变频控制系统的所有接地必须和供电系统地以及其他（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。为了彻底防止供电系统地的影响，建议供电线线路用隔离变压器隔开。
（4）保护接地。变频控制系统的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其他设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，CG必须将一台设备上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。
（5）模拟地。变频器设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其他设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的变频器要求，不仅各机柜AG对地电阻小于1Ω，而且各机柜之间的电阻也要小于1Ω。
（6）信号地。信号地的处理：原则上不允许各变送器和其他的传感器在现场端接地，而都应将其负端在变频器端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子绝对不能和变频控制系统的接地线有任何电气连接，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。
四、结束语
变频调速在工业应用中应结合系统的静动态指标，重视变频器的EMC要求，以负载的机械特性为主要设计参数，在注重变频器控制方式的选择及变频器的选择的基础上，解决变频调速系统在工业应用中的实际问题，以使变频调速系统具有高的静动态指标和高性价比。
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（一）变频器的效率与损耗
变频器效率是指其本身变换效率。就变频器的两种形式而言：交—直变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用受到限制，目前通用的变频器主要是交—直—交型。其变频器的损耗由三部分组成，整流损耗约占41%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。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，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、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗量小，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4%～96%，并随着变频器功率增大而提高。
（二）变频调速后电机效率的变化
变频调速后，电机的各种损耗和效率均有所变化。根据电机学理论，电机的损耗可分为铁心损耗、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。
铁心中的磁滞损耗表达式为：
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,但高次谐波及脉动电流增加了电机的铜耗。
杂散损耗及附加损耗：不论何种形式的变频器，变频后除基波外，还都产生高次谐波，这些附加的高次谐波的转矩方向与基波转矩方向相反，也会增加涡流损耗。
综上所述，变频调速后，电机的磁滞损耗、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，变频调速后电机电流增加10%，温升增加20%。
二、转矩控制型变频器的选型及相关问题
直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型每隔25us产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，给出其最佳开关量。由此可知，它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。
（一）选型原则
在选型前，根据机械对转速和转矩的要求，确定机械要求的最大输入功率。
P=n.•T/9950
式中：P为机械要求的输入功率，kW；n为机械转速，r/min；T为机械的最大转矩，N．m。
然后选择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步速度，但必须小于电机允许的最大速度。转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大转矩。最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流确定变频器的参数与型号。
应注意的是：变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40℃或25℃以下。若使用环境超出该规定，在根据变频器参数确定型号前要考虑由此造成的降容因素。
（二）变频器容量的选择
根据控制功能可将通用变频器分为普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器3种类型。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩（TL∝n2），低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器，如：西门子公司的MICROMASTER-430系列、东芝公司的VF-P系列变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速要求的机械采用具有转矩控制功能的高性能变频器则是比较理想的，因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性，如：日本富士公司的FRENIC5000G11/P11、三肯公司的SAMCO-L系列变频器。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械，应采用矢量控制高功能型通用变频器，如：安川公司的VS-61665系列、西门子公司的MICROMASTER-440系列变频器。
大多数变频器容量可从额定电流、可用电机功率和额定容量三个角度表述。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器的基本原则，必须保持在无故障状态下 负载总电流均不超过变频器的额定电流。
变频器供给电机的是脉动电流，电机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电机电流或功率大一个等级，一般为：PNV≥1.1PN（式中：PNV为变频器额定功率，kW; PN为电机额定功率，kw）。
三、变频调速在工业应用中应注意的问题
（一）负荷匹配问题
机泵负荷最大节能是选用型号、容量与实际负荷相匹配，其中包括机泵与所配电机的匹配、一般裕量应控制在10%以内。
（二）变频调速系统在应用中的抗干扰问题
1．抗电磁干扰的措施
为防止电磁干扰，可采用硬件和软件两种抗干扰措施，具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
2．隔离
在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以避免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。
加大受扰电路、器件或装置与干扰源之间的距离是降低干扰强度的一种行之有效的措施。但有时要求设备之间，装置的各种布线之间保持一定距离，在安装场合受到限制、设备要求体积小的情况下，这种要求往往很难得到满足。因此，尚需考虑其他措施。
此时可以采取将同一类信号线放在一条电缆管或槽中，而相近种类信号线若必须在同一电缆槽中走线，则一定要用金属隔板将它们隔开。
还有一种隔离是将信号源同变频器在电气上进行隔离，这样会大大地减小共模干扰对变频控制系统造成的危害。采用隔离放大器将信号的输入端子与变频器部分完全隔离。
3．屏蔽
对于电气屏蔽，采取的措施是将有关电路、元器件、或设备安装在铜、铝等低电阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物。
但在很多场合下，信号除了受电噪声干扰以外，主要还受到强交变磁场的影响（如电站、冶炼厂、重型机械厂等），那么我们除了要考虑电气屏蔽以外，还要考虑磁屏蔽，即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。
用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短，且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
4．滤波
当系统的抗干扰能力要求较高时，为减少对电源的干扰，在电源输入端可加装电源滤波器。为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因素，可在变频器输入端加装交流电抗器，选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定。为改善变频器输出电流，减少电机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器；为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。
5．接地
（1）保护接地。保护接地是将变频控制系统中平时不带电的金属部分与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。因此，必须将金属外壳和地之间作很好地连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。
（2）工作接地。工作接地是为了使变频控制系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其他防爆系统中还有本安接地。
（3）供电系统地。在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂家强调变频控制系统的所有接地必须和供电系统地以及其他（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。为了彻底防止供电系统地的影响，建议供电线线路用隔离变压器隔开。
（4）保护接地。变频控制系统的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其他设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，CG必须将一台设备上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。
（5）模拟地。变频器设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其他设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的变频器要求，不仅各机柜AG对地电阻小于1Ω，而且各机柜之间的电阻也要小于1Ω。
（6）信号地。信号地的处理：原则上不允许各变送器和其他的传感器在现场端接地，而都应将其负端在变频器端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子绝对不能和变频控制系统的接地线有任何电气连接，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。
四、结束语
变频调速在工业应用中应结合系统的静动态指标，重视变频器的EMC要求，以负载的机械特性为主要设计参数，在注重变频器控制方式的选择及变频器的选择的基础上，解决变频调速系统在工业应用中的实际问题，以使变频调速系统具有高的静动态指标和高性价比。