ABB变频器

定义

ABB变频器指ABB集团研发、生产和销售的交流与直流电机调速装置，属于变频器这一工业电力电子产品的品牌化产品系列。其基本功能是把电网固定频率的交流电转换为频率和电压均可调的交流电，驱动异步电动机等负载按工艺需要变速运行^[4][1]。

从产品构成看，ABB变频器既有面向风机、泵类、传送带等标准应用的通用型低压和中压变频器，也有面向冶金轧机、矿井提升、船舶电力推进等场合的工程定制传动系统；功率范围从约0.1千瓦级的单机产品延伸到上百兆瓦级的成套系统^[5][6]。

在中国市场，ABB变频器主要通过合资企业北京ABB电气传动系统有限公司进行本地化生产、销售与服务，该企业同时承担部分产品的研发职能^[3][7]。

从产业位置看，ABB变频器是电力和自动化设备体系中的组成部分，与电机、变压器、开关柜、可编程控制器等产品配合使用，服务于水泥、冶金、采矿、石油天然气、发电和制浆造纸等耗能行业^[5]。

原理

变频器的基本结构是交—直—交变换：输入端整流桥把三相交流电整流为直流，中间直流环节由电容或电感平波，输出端逆变桥再按控制指令把直流电逆变为频率与幅值可调的交流电供给电机。对于风机、泵类等按平方转矩特性运行的负载，转速下降时轴功率按转速的三次方关系下降，因此变速运行可显著减少能量消耗^[8]。

ABB变频器的控制核心是直接转矩控制(DTC)，该技术由ABB的创始企业之一提出，并于20世纪80年代中期取得专利。与传统矢量控制不同，DTC把定子磁链和电磁转矩作为直接控制量，省去脉宽调制的调制级，因而转矩响应更快^[2]。

DTC的工作方式是用电机模型从测得的相电流、直流母线电压和逆变器开关状态中估算定子磁链与转矩，再把估算值与给定值送入滞环比较器，通过开关表选出每个控制周期最优的电压矢量，直接作用于逆变桥。由于不存在独立的电流环和调制环节，其对负载变化的反应速度可以接近电机的电气时间常数极限^[2][9]。

这一控制方式的实现依赖数字信号处理器(DSP)的算力。早期通用微处理器难以在足够高的频率下完成转矩与磁链的实时估算，DSP的引入使DTC走向商用；现代DTC传动的转矩计算频率可达每秒数万次^[9]。其定子磁链与电压的关系可近似表示为 $\vec{u}_s \approx \dfrac{d\vec{\psi}_s}{dt}$，即电压矢量的作用方向决定磁链的变化方向。

flowchart LR

A[电网交流输入] --> B[整流桥]

B --> C[直流母线]

C --> D[逆变桥]

D --> E[电机]

E --> F[相电流与电压检测]

F --> G[电机模型: 估算磁链与转矩]

H[转矩与磁链给定] --> I[滞环比较器]

G --> I

I --> J[开关表: 选择电压矢量]

J --> D

发展历程

ABB自1969年起推出变频器产品，早期产品用于控制电机的主要参数，按生产需要调整转速与转矩^[1]。1988年，ABB启动直接转矩控制的研究，该技术基于感应电机的磁场定向理论与直接自控制理论，公司每年投入超过100人从事相关开发。

1995年，ABB把DTC技术首次用于通用变频器，推出采用该技术的ACS600系列，随后又将其扩展到采用IGCT三电平拓扑的中压变频器ACS1000，以及用于大型轧钢和船舶推进的ACS6000^[10][2]。

在中国，ABB与北京京仪控股有限公司于1994年共同出资组建北京ABB电气传动系统有限公司，从事交直流传动产品的生产与销售^[3][11]。该公司此后多次扩建：2010年6月22日三期工厂落成，新增厂房1万平方米，使厂房总面积达4万平方米，风电变频器与中压变频器产能分别提高3倍和8倍，并成为ABB全球第二大传动产品生产中心^[12]。

2014年9月25日，在北京ABB传动公司成立20周年之际，ABB推出面向中国市场的中压变频器ACS580MV，该产品电压等级为6千伏和10千伏，功率范围200千瓦至2000千瓦，是ABB首个在中国本土研发的中压传动产品；同期四期厂房落成，面积6500平方米，主要用于服务维修、备件物流与培训^[13][14]。

产品平台层面，ABB此后推出全兼容的ACS880工业传动系列，覆盖单传动、传动模块和多传动，功率范围从0.55千瓦到数千千瓦，并支持感应电机、永磁同步电机与同步磁阻电机等多种机型^[15]。

应用

在流程工业中，ABB变频器用于泵、风机、压缩机、挤出机、混合机和传送带等设备的调速，典型行业包括采矿、水泥、冶金、化工、石油天然气、发电、造纸、水处理以及食品饮料^[6]。在冶金轧机、矿井提升、起重机和船舶电力推进等对转矩动态要求高的场合，多采用具备DTC功能的中压或大功率传动装置^[8][6]。

在新能源领域，ABB提供面向风电的变频柜产品，其中ACS800-67为空冷双馈机型，ACS800-77与ACS800-87为水冷全功率机型，适用于陆上与海上风电场，并满足相应的并网标准；光伏方面则有PVS800系列逆变器，单机容量覆盖100千瓦至500千瓦，面向兆瓦级光伏电站^[12]。

在建筑与市政场景中，变频器被用于空调冷冻、恒压供水和污水处理，根据实时负荷调整水泵与风机转速；半导体厂房洁净室的冰水、风机与气流系统也通过变频调速维持温湿度与洁净度^[16][1]。

在中国，ABB变频器被应用于南水北调、北京奥运会场馆、青藏铁路、滇池补水等重点工程，并有部分产品出口至日本、韩国、新加坡、印度、沙特、南非等地^[12][7]。除销售整机外，厂商还通过授权服务站提供测试、维修、翻新改造与备件供应^[12]。

局限

变频器输出为快速开关的脉冲电压，电压变化率较高。当变频器与电机之间采用较长电缆时，行波在电机端因阻抗失配发生反射并与入射波叠加，会使电机端电压接近加倍，加重绕组绝缘负担；电缆越长、开关上升沿越陡，这一现象越明显^[17][18]。工程上通常以加装输出电抗器、du/dt滤波器或正弦波滤波器，以及限制电缆长度来应对^[18]。

电压源型PWM变频器还会产生高频共模电压，在电机转轴上感应出轴电压并形成轴承电流，长期作用可造成轴承电蚀；同时高速开关器件带来传导性和辐射性电磁干扰，可能影响邻近控制系统与电子设备的正常工作^[17][19]。此类问题需通过屏蔽电缆、接地与滤波等措施加以抑制^[20]。

就控制方式本身而言，DTC的转矩响应优势存在边界条件：在额定电压附近特别是弱磁运行区，电压缺少过冲余量；大功率传动为限制电机电流，响应时间也难以达到小功率产品的水平。此外，DTC的开关频率不固定，输出电压与电流的谐波相对较大，输出容量利用率略低，在对稳态指标要求高于动态指标的通用场合未必优于矢量控制^[10]。

这些限制意味着变频器并非在所有工况下都能直接替换原有驱动方式。对于老旧电机、长电缆布线或已有精密仪表的现场，选型时需核算绝缘耐压、谐波水平与电磁兼容条件，并据此配置相应附件^[20][18]。

参见

• 变频器 —— 本词条所述的整类产品，ABB变频器是其中一个品牌化系列。

• 直接转矩控制 —— ABB变频器的核心电机控制方法。

• 异步电动机 —— 变频器最主要的被控对象。

• 脉宽调制 —— 与DTC相对照的常规逆变控制手段。

• 谐波 —— 变频器输入输出侧需要治理的电能质量问题。

• ABB集团 —— ABB变频器的研发与生产企业。