电气传动变频器习题解答.docx

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电气传动变频器习题解答

第1章习题得解答

1.什么叫变频器？

变频调速有哪些应用？

答：

变频器是将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。

变频调速的应用主要有：

在节能方面的应用。

例如风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到20%～60%；

在提高工艺水平和产品质量方面的应用。

例如变频调速应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域；

在自动化系统中的应用。

例如，化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。

2.为什么说电力电子器件是变频器技术发展的基础？

答：

变频器的主电路不论是交-直-交变频或是交-交变频形式，都是采用电力电子器件作为开关器件。

因此，电力电子器件是变频器发展的基础。

3.为什么计算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱？

答：

计算机技术使变频器的功能也从单一的变频调速功能发展为包含算术、逻辑运算及智能控制的综合功能；自动控制理论的发展使变频器在改善压频比控制性能的同时，推出了能实现矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等多种模式。

现代的变频器已经内置有参数辨识系统、PID调节器、PLC控制器和通讯单元等，根据需要可实现拖动不同负载、宽调速和伺服控制等多种应用。

4.变频调速发展的趋势如何？

答：

智能化；

专门化；

一体化；

环保化.

5.按工作原理变频器分为哪些类型？

按用途变频器分为哪些类型？

答：

按工作原理变频器分为：

交-交变频器和交-直-交变频器两大类。

按用途变频器分为：

通用变频器；

专用变频器。

6.交-交变频器与交-直-交变频器在主电路的结构和原理有何区别？

答：

交-交变频器的主电路只有一个变换环节，即把恒压恒频（CVCF）的交流电源转换为变压变频（VVVF）电源；而交-直-交变频器的主电路是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。

7.按控制方式变频器分为哪几种类型？

答：

按控制方式变频器分为：

V/f控型变频器；

转差频率控制变频器；

矢量控制变频器；

直接转矩控制变频器。

第3章习题解答

1.交-直-交变频器的主电路包括哪些组成部分？

说明各部分的作用。

答：

交-直-交变频器主电路包括三个组成部分：

整流电路、中间电路和逆变电路。

整流电路的功能是将交流电转换为直流电；中间电路具有滤波电路或制动作用；逆变电路可将直流电转换为交流电。

2.不可控整流电路和可控整流电路的组成和原理有什么区别？

答：

不可控整流电路整流元件为二极管，不可控整流电路输出的直流电压不可调节；可控整流电路的整流元件为晶闸管，利用晶闸管的可控导电性可使输出的直流电压大小可以调节。

3.中间电路有哪几种形式？

说明各形式的功能。

答：

中间电路有滤波电路和制动电路两种形式。

滤波电路是利用电容或电感的储能特性，将整流电路输出的直流电压或电流减少谐波分量趋于稳定；而制动电路一般由制动单元和制动电阻组成，可将电动机的再生能量返送电网或消耗掉，并产生制动作用，使电动机快速停车。

4.对电压型逆变器和电流型逆变器的特点进行比较。

答：

电压型逆变器是将整流电路产生的直流电压，通过电容进行滤波后供给逆变电路。

由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，在理想情况下可以看成一个内阻为零的电压源，逆变电路输出的电压为矩形波或阶梯波。

电流型逆变器是将整流输出的直流电压采用大电感滤波，因此，直流电流波形比较平直，因而电源内阻很大，对负载来说基本上是一个电流源，逆变电路输出的交流电流是矩形波。

5.说明制动单元电路的原理。

答：

制动电路一般接于整流器和逆变器的P、N之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。

如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于P、R两点上的外接制动电阻REB。

当电动机制动时，能量经逆变器回馈到直流侧，使直流侧滤波电容上的电压升高，当该值超过设定值时，即自动给VB施加基极信号，使之导通，将RB（REB）与电容器并联，则存储于电容中的再生能量经RB（REB）消耗掉。

6.说明图3-15所示全桥逆变电路的工作原理。

答：

全桥逆变器可看作两个半桥逆变电路的组合。

电路原理如图3-15a所示。

直流电压Ud接有大电容C，使电源电压稳定。

电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。

t2时刻给V1、V4关断信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。

当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，io开始反向。

同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。

t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反向，如此反复循环，两对交替各导通180°。

其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b所示。

a）全桥逆变器b）工作波形

图3-15全桥逆变器及工作波形

7.SPWM控制的原理是什么？

为什么变频器多采用SPWM控制？

答：

SPWM控制技术就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。

变频器采用SPWM控制可使输出的SPWM波形，加至电感性的电动机绕组，经过滤波作用，使流过绕组的电流波形基本为正弦波，谐波成分大为减少。

第6章习题解答

1.变频器的外形有哪些种类？

答：

变频器的外形根据功率的大小有挂式和柜式两种。

2.由图6-2所示变频器的结构框图，说明变频器的基本组成。

答：

变频器由主电路和控制电路组成，控制电路由主控板、键盘与显示板、电源板、外接控制电路等构成。

3.变频器的主电路端子有哪些？

分别与什么相连接？

答：

变频器的主电路端子R、S、T连接三相交流电源；U、V、W连接三相电动机；P1、P+连接直流电抗器；P+、DB连接外部制动电阻器；P+、N-连接制动单元；PE接地。

4.变频器的控制端子大致分为哪几类？

答：

多功能数字输入、多功能数字输出、模拟输入、模拟输出、多功能继断器输出、脉冲频率输入、脉冲频率输出、RS485接口等。

5.说明变频器的基本频率参数，如何预置？

答：

1）给定频率。

其设置方法常有两种：

一种是用变频器的操作面板来输入频率的数字量50；另一种是从控制接线端上以外部给定（电压或电流）信号进行调节，最常见的形式就是通过外接电位器来完成。

2）输出频率。

输出频率是在给定频率附近经常变化的。

从另一个角度来说，变频器的输出频率就是整个拖动系统的运行频率。

3）基本频率。

基本频率，用fb表示。

一般以电动机的额定频率fN作为基频fb的给定值。

4）上限频率和下限频率。

上限频率和下限频率是指变频器输出的最高、最低频率，常用fH和fL来表示。

5）跳跃频率。

跳跃频率也叫回避频率，变频器在预置跳跃频率时通常采用预置一个跳跃区间，区间的下限是fJ1、上限是fJ2。

6.变频器有哪些运行功能需要进行设置？

如何设置？

答：

变频器的运行功能参数主要有：

加速时间、加速模式、减速时间、减速模式、多功能端子、程序控制等。

依据变频器说明书给定的功能参数进行设置。

7.变频器有哪些保护功能需要进行设置？

答：

变频器的保护功能参数有：

过电流、电动机过载、过电压、欠电压保护和瞬间停电的处理等。

依据变频器说明书给定的功能参数进行设置。

8.变频器的节能控制功能有什么意义？

答：

对于风机、水泵等二次方律负载在稳定运行时，其负载转矩及转速都基本不变。

如果能使其工作在最佳的节能点，就可以达到最佳的节能效果。

9.说明设置变频器的PID功能的意义。

答：

PID控制是闭环控制中的一种常见形式。

反馈信号取自调速系统的输出端，当输出量偏离所要求的给定值时，反馈信号成比例的变化。

在输入端，给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值。

对该偏差值，经过PID调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值，振荡和误差都比较小。

第7章思考题答案

1.异步电动机的变频调速的理论依据是什么？

答：

三相交流电动机的同步转速（即定子旋转磁场转速）n0可表示为：

如果将电源频率调节为fx，则同步转速n0x也随之调节成：

异步电动机变频后的转速nx的表达式为

这就是异步电动机变频调速的理论依据。

2.简述异步电动机常用的起动和制动方法。

答：

在生产中，除了小容量的三相异步电动机能直接起动外，一般要采取不同的方法起动，比如自耦变压器降压起动、串电阻或电抗器降压起动、Y-Δ降压起动等。

在变频调速系统中，变频器用降低频率f1从而也降低了U1的方法来起动电动机。

三相异步电动机的制动方式有直流制动、回馈制动和反接制动等。

3.传统的异步电动机调速方法有哪些？

答：

三相异步电动机的调速方式主要有三种，即变极调速、变转差率调速和变频率调速。

4.实现异步电动机变频调速有哪些要求？

答：

在额定频率以下，即f1＜fN调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒V／f控制。

这时应当注意的是，电动机工作在额定频率时，其定子电压也应是额定电压，即：

f1=fNU1=UN

若在额定频率以上调频时，U1就不能跟着上调了，因为电动机定子绕组上的电压不允许超过额定电压，即必须保持U1=UN不变。

5.异步电动机变频调速时，在额定频率以下调节频率，必须同时调节加在定子绕组上的电压，即恒V／f控制，为什么？

答：

由于额定工作时电动机的磁通已接近饱和，ΦM增加将会使电动机的铁心出现深度饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和定子铁心损耗急剧增加，使电动机工作不正常。

可见，在变频调速时单纯调节频率是行不通的。

为了达到下调频率时，磁通ΦM不变，可以让：

常数

有U1≈E1，上式可写为：

常数

因此，在额定频率以下，即f1＜fN调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒V／f控制。

6.电动机的调速范围是如何定义的？

答：

电动机的调速范围指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nLmax与最低转速nLmin之比，即

7.常见的负载机械特性有几种类型？

说明各种类型的特点。

答：

（1）恒转矩负载是指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关的负载。

恒转矩负载下变频器的选择：

1）依据调速范围。

2）依据负载转矩的变动范围。

3）考虑负载对机械特性的要求。

（2）恒功率负载。

是指负载转矩TL的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。

对恒功率负载，一般可选择通用型的，采用V/f控制方式的变频器。

但对于动态性能有较高要求的卷取机械，则必须采用具有矢量控制功能的变频器。

（3）二次方律负载。

是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载。

二次方律负载变频器的选择：

1）风机和水泵一般不容易过载，所以，这类变频器的过载能力较低。

为120％，1min（通用变频器为150％，1min）。

因此在进行功能预置时必须注意。

由于负载转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载的转矩有可能大大超过变频器额定转矩，使电动机过载。

所以，其最高工作频率不得超过额定频率。

2）配置了进行多台控制的切换功能。

3）配置了一些其他专用的控制功能，如“睡眠”与“唤醒”功能、PID调节功能。

8.为什么对风机、泵类负载进行变频调速节能效果最好？

答：

风机、泵类负载属于二次方律负载机械在低速时由于流体的流速低，所以负载转矩很小，随着电动机转速的增加，流速增快，负载转矩和功率也越来越大，所以采用变频调速节能效果最好。

9.起重机械属于恒转矩类负载，速度升高对转矩和功率有何影响？

答：

恒功率负载的力F必须保持恒定，且线速度v保持恒定。

所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定。

而负载阻转矩的大小与转速成反比，当速度升高时转矩变大。

第8章习题解答

1.什么是V／f控制？

变频器在变频时为什么还要变压？

答：

V／f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使V／f为常数，变频器在变频时还要变压是为了使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。

2.说明恒V／f控制的原理。

答：

E1为每相定子绕组的反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：

由于4.44kN1N1均为常数，所以定子绕组的反电势E1可用下式表示：

在额定频率时即f1=fN时，可以忽略△U，可得到：

U1≈E1

因此进而得到：

U1≈E1∝f1ΦM

此时若U1没有变化，则E1也可认为基本不变。

如果这时从额定频率fN向下调节频率，必将使ΦM增加，即f1↓→ΦM↑。

由于额定工作时电动机的磁通已接近饱和，ΦM增加将会使电动机的铁心出现深度饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和定子铁心损耗急剧增加，使电动机工作不正常。

可见，在变频调速时单纯调节频率是行不通的。

为了达到下调频率时，磁通ΦM不变，可以让：

常数

有U1≈E1，即可写为：

常数

因此，在额定频率以下，即f1＜fN调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒V／f控制。

3.什么是转矩补偿？

答：

转矩提升是指通过提高V／f比来补偿fx下调时引起的TKx下降。

即通过提高Ux（ku＞kf）使得转矩TKx提升

4.转矩补偿过分会出现什么情况？

答：

如果变频时的V／f比选择不当，使得电压补偿过多，即Ux提升过多，Ex在Ux中占的比例会相对减小（Ex／Ux减小），其结果是使磁通ΦM增大，从而达到新的平衡。

即：

由于ΦM的增大会引起电动机铁心饱和，而铁心饱和会导致励磁电流的波形畸变，产生很大的峰值电流。

补偿越过分，电动机铁心饱和越厉害，励磁电流的峰值越大，严重时可能会引起变频器因过电流而跳闸。

5.为什么变频器总是给出多条V／f控制曲线供用户选择？

答：

给出多条V／f控制曲线供选择，是由于具体的补偿量的计算非常复杂，因此在实际操作中，常用实验的办法来选择V／f曲线。

6.V／f控制曲线分为哪些种类，分别适用于何种类型的负载？

答：

V／f控制曲线的种类：

1）基本V／f控制曲线，用于低起动转矩负载；2）转矩补偿的V／f曲线，适用于低速时需要较大转矩的负载；3）负补偿的V／f曲线，主要适用于风机、泵类的平方率负载；4）V／f比分段的补偿线，这种补偿线主要适合负载转矩与转速大致成比例的负载。

7.选择V／f控制曲线常用的操作方法分为哪几步？

答：

选择V／f控制曲线常用的操作有下面几个步骤：

1）将拖动系统连接好，带上最重的负载。

2）根据所带负载的性质，选择一个较小的V／f曲线，在低速时观察电动机的运行情况，如果此时电动机的带负载能力达不到要求，需将V／f曲线提高一档。

依此类推，直到电动机在低速时的带负载能力达到拖动系统的要求。

3）如果负载经常变化，在2）中选择的V／f曲线，还需要在轻载和空载状态下进行检验。

方法是：

将拖动系统带以最轻的负载或空载，在低速下运行，观察定子电流I1的大小，如果I1过大，或者变频器跳闸，说明原来选择的V／f曲线过大，补偿过分，需要适当调低V／f曲线。

8.什么是转差频率控制？

说明其控制原理。

答：

转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电机速度对应的频率与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。

9.转差频率控制与V／f控制相比，有什么优点？

答：

由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与V／f控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。

另外，它有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静态误差小，适用于自动控制系统。

10.矢量控制的理念是什么？

矢量控制经过哪几种变换？

答：

矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。

变频器的控制器输出直流电流iM*和iT*，其中iM*是励磁电流分量，iT*是转矩电流分量。

它们都是由变频器的给定信号分解而成的（*表示变频中的控制信号）。

经过直／交变换，将iM*和iT*变换成两相交流信号iα*和iβ*，再经2／3变换得到三相交流控制信号iA*、iB*、iC*去控制三相逆变器。

11.矢量控制有什么优越性？

使用矢量控制时有哪些具体要求？

答：

矢量控制系统的优点：

1）动态的高速响应；2）低频转矩增大；3）控制灵活。

使用矢量控制对变频器和电动机有如下要求：

1）一台变频器只能带一台电动机。

2）电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极电动机为最佳。

3）电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。

如：

根据变频器的容量应选配1lkW的电动机，使用矢量控制时，电动机的容量可是1lkW或7.5kW，再小就不行了。

4）变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在30m以内。

如果超过30m，需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。

第9章习题解答

1．若变频器拖动的负载为笼型电动机，选择变频器时应考虑哪些问题？

答：

对于笼型电动机选择变频器拖动时，主要依据以下几项要求：

1）依据负载电流选择变频器；2）考虑低速转矩特性；3）考虑短时最大转矩；4）考虑容许最高频率范围；5）考虑噪声；6）考虑振动。

2.变频器专用电机分为哪些种类？

答：

变频器专用电机的分类有以下几种：

1）在运转频率区域内低噪声、低振动。

2）在低频区内提高连续容许转矩（恒转矩式电机）。

3）高速用电机。

4）用于闭环控制（抑制转速变动）的带测速发电机的电机。

5）矢量控制用电机。

3.变频器的主电路端子R、S、T和U、V、W接反了会出现什么情况？

电源端子R、S、T连接时有相序要求吗？

答：

变频器的主电路端子R、S、T和U、V、W接反了会出现烧坏变频器的严重后果。

电源端子R、S、T连接时一般没有相序要求。

4.主电路电源输入侧连接断路器有什么作用？

断路器如何选择？

答：

连接断路器的作用：

1）接通和分断负载电路；2）隔离作用；3）保护作用。

通常情况下低压断路器的额定电流IQN应选：

IQN≥（1.3～1.4）IN

式中，IN——变频器的额定电流。

在电动机要求实现工频和变频的切换控制的电路中，断路器应按电动机在工频下的起动电流来进行选择：

IQN≥2.5IMN

式中，IMN——电动机的额定电流。

5.主电路中接入交流电抗器有什么作用？

答：

主电路中接入交流电抗器，可起到以下作用：

1）减少变频器的输入电流谐波含量；2）改善三相输入电流的不平衡；3）抑制电源系统的瞬变干扰；4）提高功率因数。

6.制动电阻与制动单元有什么不同？

答：

制动电阻与制动单元的功能是当电动机因频率下降或重物下降（如起重机械）而处于再生制动状态时，避免在直流回路中产生过高的泵生电压。

制动电阻是把泵生电压变为热能消耗掉，而制动单元一般具有将泵生电压回馈电网的作用。

制动电阻的选择：

1）制动电阻RB的大小；2）制动电阻的功率PB；3）常用制动电阻的阻值与容量的选择可参考变频器说明书。

制动单元的配置可参考变频器说明书。

7.变频器与电动机之间的连线过长会出现什么问题？

如何选择长距离导线？

答：

变频器与电机之间的连线过长，则电压降增大，可能引起电机转矩不足。

特别是变频器输出频率低时，其输出电压也低，线路电压损失所占百分比加大。

变频器与电机之间的线路压降规定不能超过额定电压的2％，根据这一规定来选择电缆。

工厂中采用专用变频器时，如果有条件对变频器的输出电压进行补偿，则线路压降损失容许值可取为额定电压的5％。

容许压降给定时，主电路电线的电阻值必须满足下式：

式中RC——单位长电线的电阻值（Ω/km）

△U——容许线间电压降（V）；

L——1相电线的铺设距离（m）；

I——电流（A）。

8.画出电动机正转控制电路图。

答：

由继电器控制的正转运行电路如图所示。

9.画出电动机正、反转控制电路图。

继电器控制的正反转电路如图所示。

10.如何实现工频和变频切换运行？

画出控制电路来。

答：

变频与工频切换的电路如下图所示，可以满足以下要求。

1）用户可根据工作需要选择“工频运行”或“变频运行”。

2）在“变频运行”时，一旦变频器因故障而跳闸时，可自动切换为“工频运行”方式，同时进行声光报警。

11.频率给定信号有哪几种设置方法？

什么方法最简便精确？

答：

给定信号方式，就是调节变频器输出频率的具体方法，有模拟量给定、面板给定和通讯接口给定等多种方法。

在选择给定方法时应优先选择面板给定方法，因为面板给定属于数字量给定，不需要外部接线，方法简单，频率设置精度高。

12.说明最大频率、最大给定频率与上限频率的区别。

答：

最大频率fmax和最大给定频率fXM都与最大给定信号xmax相对应，但最大频率fmax通常是根据基准情况决定的，而最大给定频率fXM常常是根据实际情况进行修正的结果。

当fXM＜fmax时，变频器能够输出的最大频率由fXM决定，fXM与xmax对应；

当fXM＞fmax时，变频器能够输出的最大频率由fmax决定。

上限频率fH是根据生产需要预置的最大运行频率，它并不和某个确定的给定信号x相对应。

当fH＜fmax时，变频器能够输出的最大频率由fH决定，fH并不与xmax对应；

当fH＞fmax时，变频器能够输出的最大频率由fmax决定。

第10章习题解答

1.变频器储存时应注意哪些事项？

答：

①必须放置于无尘垢、干燥的位置。

②储存位置的环境温度必须在-20℃～+65℃范围内。

③储存位置的相对湿度必须在0％～95％范围内，且无结露。

④避免储存于含有腐蚀性气体、液体的环境中。

⑤最好适当包装存放在架子或台面上。

⑥长时间存放会导致电解电容的劣化，必须保证在6个月之内通一次电，通电时间至少5小时，输入电压必须用调压器缓缓升高至额定值。

2.变频器的安装场须满足什么条件？

答：

变频器装设的电气室应湿气少、无水浸入；无爆炸性、可燃性或腐蚀性气体和液体，粉尘少；装置容易搬入安装；有足够的空间，便于维修检查；备有通风口或换气装置以排出变频器产生的热量；与易受变频器产生的高次谐波和无线电干扰影响的装置分离。

若安装在室外，必须单独按照户外配电装置设置。

3.变频器安装时周围的空间最少为多少？

答：

变频器在运行中会发热，为了保证散热良好，必须将变频器安装在垂直方向，切勿倒装、倾斜安装或水平安装。

其上下左右与相邻的物品和挡板（墙）必须保持足够的空间，左右5cm以上，上下15cm以上。

4.变频器传动笼型电动机，电动机铭牌数据为，额定电压220V、功率11kW，4极、额定电流22.5A，电缆铺设距离50m，线路电压损失允许在额定电压2％以内，试选择所用电缆的截面大小？

解：

（1）求额定电压下的容许电压降。

容许电压降；△U=220V×2%=4.4V

（2）求容许压降以内的电线电阻值。

电线电阻RC=

（3）根据计算出的电阻选用导线。

由计算出的RC值，从厂家提供的相关表格中选用电缆，如表10-1列出的常用电缆选用表，从中看到，应选电缆电阻2.54Ω/km以下的电缆，截面积为9mm2。

5.变频器系统的主回路电缆与控制回路电缆安装时有什么要求？

答：

选择主回路电缆时，须考虑电流容量、短路保护、电缆压降等因素。

一般情况下，变频器输入电流的有效值比电