微型变频器增益宏观功能

尽管市面上仍然存在一些基本的小型变频器，但对于原始设备制造商 (OEM)、业余爱好者和其他终端用户而言，使用更新、功能更强大的微型变频器有几个令人信服的理由。本文最初发表于 2022 年 6 月的《InTech》杂志。

我们已经见证了技术的涓滴效应。从昂贵的豪华品牌汽车到每年最新款的手机，顶级型号几乎总是拥有独家功能。然而，与早期采用者不同，精打细算且耐心等待的消费者最终会看到这些技术出现在价格更低的产品上。这种相当普遍的模式涵盖了许多行业，包括工业自动化。交流变频器 (VFD) 用户持续受益于以往仅在旗舰产品中才有的新功能。

VFD进展

在机械、泵和其他设备的应用中，通常需要控制电机转速。过去，要改变电机转速（同时在低于基速时保持全扭矩），唯一的方法是使用直流电机和直流驱动器。这是因为早期的交流变频器只能以V/Hz模式运行，并且转速低于基速时，扭矩会按比例下降。然而，随着磁通矢量交流变频器的出现，电机可以在从零转速到基速的整个转速范围内产生100%的扭矩。早期的磁通矢量交流变频器存在一些问题。

功率范围有限；这些设备体积庞大，需要放置在远离其他设备的房间内；而且电缆过长容易引发电气问题。此外，这些驱动系统价格昂贵，需要定制设计。最终，技术开始普及，磁通矢量变频器以套装产品的形式销售，适用于多种应用。对于只需要简单电压/频率控制的基本应用，仍然有价格较低的变频器可供选择。到了21世纪初，定制设计的系统驱动器销量减少，大多数产品都采用预包装设计，但除了支持磁通矢量控制外，还具备其他令人印象深刻的功能。

其他受欢迎的功能包括高级网络功能、安全功能（如安全扭矩关闭）、比例积分微分 (PID) 控制，甚至还内置可编程逻辑控制器 (PLC)，具有丰富的 I/O 选项，除了电机控制外，还可以进行过程或机器控制。

最少的，最多的

就在几年前，市场上价格最低的变频器还仅支持V/Hz控制，功能也比较基础，质量也相对较低，以保持价格在原始设备制造商 (OEM) 和业余爱好者的承受范围之内。如今，技术下放效应再次显现，许多高端功能和更高的制造质量也出现在了价格更低的变频器上。现在，入门级变频器的价格在OEM和业余爱好者的承受范围内，其具备的功能使项目设计和实施变得更加容易，例如：

单相输入到三相输出

无传感器矢量控制可在低速下提高扭矩

对 EtherNet/IP 和 Modbus TCP 等网络的高级支持

用于过程闭环控制的PID控制

集成 PLC 执行逻辑运算，在某些应用中，无需单独的 PLC。

这些新增功能可以从多方面惠及用户。单相转三相。对于OEM厂商或业余爱好者来说，在比较功能时，具有单相输入和三相输出的变频器无疑是最佳选择。大多数业余爱好者的工作室或车库里没有三相电源，但他们可能需要控制三相电机。对于OEM厂商而言，此功能提供了针对单相电源连接进行设计的选项，并且可能吸引更多客户，而不仅仅是那些拥有三相电源的客户。

虽然变频器并非相序转换器，但它可以将 120VAC 或 230VAC 单相电源转换为三相输出，用于电机控制。三相电机相比单相电机的优势不胜枚举，但更优异的调速性能通常足以让用户确信三相电机是最佳选择。扭矩方面，无传感器矢量控制允许用户在不损失扭矩的情况下将电机转速降低到极低水平。而对于典型的低成本变频器（仅采用 V/Hz 控制，也称为标量控制），电机输出扭矩的损失与转速的降低成正比。

例如，一台额定功率为 0.5 马力、基础转速为 1725 转/分、满载扭矩为 1.5 磅英尺（100% 转速）的电机，在 66% 转速下只能提供 1.0 磅英尺的扭矩。而采用无传感器矢量控制技术，则可以在极低转速下实现电机 100% 的扭矩输出。

在无传感器矢量控制技术出现之前，设计人员可以使用相同功率但转速较低的电机来实现较低的固定速度，或者使用直流电机和驱动器。前者不可调节，而且通常需要更大的机架尺寸，这可能需要成本更高的机械改造。后者虽然坚固耐用，但需要更高的维护，例如更换电刷，而且许多小型直流驱动器是模拟式的，技术含量较低。它们通常不提供通信功能或更高级的控制选项，至少在同等价位上是如此。

联网。高级联网功能优势众多。许多变频器（VFD）——甚至可以追溯到最早的型号——都支持某种形式的串行通信，但可能需要专用电缆。如今，许多变频器普遍支持以太网通信，因此配置变频器更加便捷。如果安装了多个变频器并由独立的PLC控制，则可以轻松地将它们联网。人机界面和监控数据采集系统能够监控和控制连接到制造工厂网络上的多个变频器，这对于最终用户和OEM厂商都极具吸引力，因为它提供了先进的操作功能，并支持主动维护以避免故障。

PID 控制。对于涉及模拟过程控制的应用——例如泵或风机的流量控制——通常需要实现闭环 PID 控制。这可以通过 PLC 实现。然而，对于许多应用而言，变频器 (VFD) 可以更有效地在本地处理此功能，同时提供易于调节的接口，从而在机器启动期间节省大量时间。即使不运行模拟过程，大多数机器也需要某种形式的控制。

最初，这需要硬线连接的继电器逻辑，但最终很大程度上被PLC所取代。对于许多小型应用——尤其是在OEM或业余爱好者领域——集成到变频器中的PLC具有足够的I/O来控制所有必需的部件，并且在成本、设计/编程人工和控制面板空间方面都具有显著优势。

微型变频器注意事项

在简单、低成本的应用中使用微型变频器几乎没有技术上的缺点。一个好的原则是：如果您确定永远不需要调整电机转速，那么就不要购买变频器。但如果哪怕只有一丝可能需要调整电机转速，那么就应该优先考虑购买一款新型的、低成本的、功能强大的变频器。

人们可能会担心变频器 (VFD) 的体积比接触器或启动器更大，但目前一些型号只有手掌大小，占用空间与电机接触器和过载保护器组合相近（图 2）。这些微型变频器内置 PLC、PID 控制、无传感器矢量控制、高级网络支持和 I/O 扩展功能，成本与电机接触器和过载保护器组合相当，但在其他方面却具有更多优势并降低了成本。它们可以集成到 NEMA 4X 防护等级的封装中，适用于冲洗区域（图 3）。OEM 设备通常使用小型 PLC 控制直接启动电机组件。传统设计通常需要三相电源，但许多最终用户希望该设备能够在单相电源环境下运行。

与其开发两种不同的设计方案，OEM厂商只需用一个能够接受单相电源输入的新型变频器（VFD）替换PLC和电机启动器组件即可。这样一来，OEM厂商既解决了问题，降低了成本，又减少了组件数量，从而吸引了更多潜在客户。

即使是如今的业余爱好者也需要微型变频器。例如，许多人会购买二手工业车床或磨床，这些机器很可能需要三相电源来驱动一个或多个电机。即使更换了电机，用户也应该更换为三相电机，以便调节转速。

如果机器的最终用途是住宅车库或个人工作室，用户不太可能拥有三相电源。虽然变频器的输出不能直接为整台机器供电，但可以通过一些简单的线路改动，使变频器能够利用单相输入控制三相电机。尽管目前市面上仍有一些基本的小型变频器，但对于原始设备制造商 (OEM)、业余爱好者和其他终端用户而言，使用功能更强大的新型微型变频器有很多令人信服的理由。在许多情况下，这些微型变频器都受益于技术下放效应。