變頻器對變頻電機(jī)的驅(qū)動控制研究

張慶迎

（遼寧豐田金杯技師學(xué)院，遼寧 沈陽110101）

國內(nèi)電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及自動化技術(shù)都在不斷發(fā)展，驅(qū)動控制技術(shù)逐漸占據(jù)工業(yè)控制的主要地位。從目前的電氣行業(yè)發(fā)展來看，電氣的傳動技術(shù)也正在變革，交流傳動漸漸取代了直流傳動，計算機(jī)信息技術(shù)也在逐漸取代模擬技術(shù)。交流變頻驅(qū)動技術(shù)因為其本身節(jié)能、可靠、簡便的特點被應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動控制中，改變了傳統(tǒng)直流傳動技術(shù)效率低、體積大的缺點。

1 變頻器工作原理

變頻器是由多種電力電子器件組成的一種設(shè)備，電力電子器件的功能是在電路中進(jìn)行通斷以及變流的器件。變頻器的核心作用就是變流。變頻器通過不同的控制方法所得到的調(diào)速結(jié)果也是不同的?？刂品绞娇煞譃殚_環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制中，電壓和頻率成正比例控制，閉環(huán)控制中又分為轉(zhuǎn)差頻率以及矢量的控制。變頻器運(yùn)行時電路有交流- 交流變頻以及交流- 直流- 交流變頻兩種，其工作原理為用整流器將交流電變?yōu)橹绷麟?，用逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟?，相互之間可調(diào)。

2 變頻電動機(jī)的特點

2.1 電磁設(shè)計。一般的電動機(jī)設(shè)計時都會考慮到的性能參數(shù)主要有過載能力、啟動性能、功率因數(shù)等。變頻電動機(jī)則不需要過多考慮過載能力以及啟動性能，關(guān)鍵問題在于改善電動機(jī)對于非正弦波電源的適用能力。其電磁設(shè)計方式如下：（1）減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。設(shè)計中減小定子電阻能夠在一定程度上降低銅耗，從而彌補(bǔ)高次諧波產(chǎn)生的銅耗，起到一個互補(bǔ)的作用。（2）增加電感。為了限制電流中高次諧波的產(chǎn)生，減少銅耗，可以適當(dāng)增加電機(jī)的電感。但是可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子槽漏抗增大，一樣會產(chǎn)生高次諧波的銅耗，所以在設(shè)計電機(jī)的漏抗大小時要顧及到整體阻抗的適應(yīng)合理性。（3）主磁路不飽和。變頻電動機(jī)的電磁在設(shè)計時主磁路一般會設(shè)計成不飽和狀態(tài)，一方面考慮到高次諧波的產(chǎn)生會增加磁路飽和，另一方面也是為了能夠提高變頻器的輸出電壓從而提高輸出轉(zhuǎn)矩。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計。變頻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮到非正弦波電源對變頻電動機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動強(qiáng)度以及噪聲強(qiáng)度等方面的影響，以下問題需要注意：（1）絕緣等級。絕緣結(jié)構(gòu)的等級通常為F 級或以上，尤其要注意到絕緣體對電壓沖擊的承受能力。（2）剛性。關(guān)于電動機(jī)的噪聲以及振動強(qiáng)度等問題，要注意電動機(jī)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件以及其剛性，盡量提高電機(jī)頻率，以免發(fā)生與各磁力波共振的情況。（3）冷卻方式。電動機(jī)運(yùn)行的冷卻方式要選擇強(qiáng)迫通風(fēng)，電機(jī)的散熱風(fēng)扇盡量用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動器。（4）軸電流。如果電機(jī)的容量超出了160 千瓦就要采用軸承絕緣措施限制軸電流，防止磁路的不對稱，如果軸電流加大，會對軸承產(chǎn)生很大的負(fù)擔(dān)，損壞軸承使用，因此有必要用絕緣措施阻止軸電流的產(chǎn)生。

3 變頻器對電機(jī)的影響

3.1 電動機(jī)的效率和溫升的問題。無論是哪一種變頻器在運(yùn)行時都會產(chǎn)生不同強(qiáng)度的高次諧波電流和電壓，這種情況下，電機(jī)處于非正弦電壓下，對電機(jī)都有一些損耗。產(chǎn)生的高次諧波電流會增加電機(jī)中銅耗、鐵耗等耗能，其中最大的是轉(zhuǎn)子銅耗。這些損耗都會促使電動機(jī)發(fā)熱，降低電動機(jī)的使用效率和功率。

3.2 電動機(jī)絕緣強(qiáng)度問題。目前的變頻器中，中小型的變頻器的載波頻率已經(jīng)可以達(dá)到幾千甚至幾萬赫，電動機(jī)的定子繞組承受的電壓非常高，對電動機(jī)也有很大的電壓沖擊，對電動機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)要求更高。而且，目前使用的變頻器形成的矩形斬波電壓與電動機(jī)本身的電壓疊加在一起，對電動機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)造成更大的壓力，加速了絕緣部件的老化程度。

3.3 諧波電磁噪聲與振動。變頻電動機(jī)由于電磁、機(jī)械以及散熱等因素的需要，在運(yùn)行時所產(chǎn)生的振動和噪聲的強(qiáng)度會更強(qiáng)。變頻電源中的各種諧波之間會相互交涉，當(dāng)頻率一致或大體接近的時候，會產(chǎn)生共振的現(xiàn)象，噪聲也隨之加大。因為電動機(jī)的運(yùn)行速度變化范圍比較大，電磁力波與電動機(jī)振動頻率很難分開，噪聲和振動產(chǎn)生的聲音都無法避免。

3.4 電動機(jī)對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力。使用變頻器電機(jī)供電之后，電動機(jī)能夠在較低的頻率和電壓之下啟動，沒有沖擊電流產(chǎn)生或者沖擊電流比較少，而且變頻器具有多種制動方式，能夠幫助電機(jī)迅速制動，是實現(xiàn)電機(jī)頻繁啟動和制動的前提條件。電動機(jī)的機(jī)械部分和電磁部分共同作用之下，也會給電動機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)帶來更大的壓力。

3.5 低轉(zhuǎn)速時的冷卻問題。電動機(jī)的阻抗效果并不理想，在轉(zhuǎn)速較低的時候，電源中產(chǎn)生的高次諧波引起的銅耗大。而且，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速不成比例，電動機(jī)在低速時冷卻效果不好，溫度反而升高，轉(zhuǎn)矩難以輸出。

4 變頻電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的工作原理

變頻器通過RS485 接口接收主控系統(tǒng)的命令，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號，主控計算機(jī)可以通過RS485 接口遠(yuǎn)程啟動和停止變頻器，變頻器通過RS485 接口將轉(zhuǎn)速等信號反饋傳輸給主控計算機(jī)系統(tǒng)。變頻器通過電纜與變頻電機(jī)連接，電機(jī)驅(qū)動液壓泵，液壓泵驅(qū)動液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出脈沖信號變換后傳給變頻器，變頻器通過讀取風(fēng)扇實際轉(zhuǎn)速，對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在0r/min～5500r/min 時，控制精度為±5r/min，風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速為5500r/min，同時，風(fēng)扇的控制精度可以根據(jù)實際情況做相應(yīng)的調(diào)整。

5 變頻器控制技術(shù)

5.1 電壓矢量控制。通過讀定子電流就那些坐標(biāo)變換來達(dá)到電壓的矢量控制時，要將電機(jī)三相坐標(biāo)按照直角坐標(biāo)進(jìn)行定子電流同步變換。在進(jìn)行變換時要將電流矢量根據(jù)要求進(jìn)行靜止坐標(biāo)下的同步變換，然后將兩相靜止坐標(biāo)的電流根據(jù)要求進(jìn)行變換。在變換的過程中要考慮到直流電機(jī)的控制方式的基本要求，也要熟知坐標(biāo)逆變的具體規(guī)范，才能更好的掌握異步電動機(jī)的控制量的實際情況。另外在進(jìn)行該方法的時候，要對轉(zhuǎn)速和磁場進(jìn)行單獨(dú)的控制，要根據(jù)兩個分量的具體情況而定。但是在實際操作過程中還要考慮各種參數(shù)不同帶來的不同影響，因為矢量變化本身就很復(fù)雜，如果不能夠按照要求進(jìn)行變換，就很難到的預(yù)期效果。

5.2 直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)能夠彌補(bǔ)電壓矢量控制中存在的短處，而且優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)較為簡單，動靜態(tài)性能強(qiáng)。經(jīng)過研究人員對其不斷的完善，直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到大功率電機(jī)牽引交流傳動中。直接轉(zhuǎn)矩可以在定子坐標(biāo)下建立交流電機(jī)的數(shù)字模型，省去了很大一部分的矢量變換計算步驟，發(fā)展前景更為廣闊。

5.3 矩陣式交- 交控制。變頻器電路中的交流- 直流- 交流變頻控制方式的輸入功率較低，高諧波電流大，對于電機(jī)的容量要求高，而變頻控制技術(shù)中的矩陣式交流- 交流控制技術(shù)可以改善這些缺點，實現(xiàn)能源在電網(wǎng)中的循環(huán)反饋。而矩陣式的控制方式將其中的直流變流環(huán)節(jié)省去，降低了成本，提高了效率。這種方法不需要通過控制電流以及磁鏈驅(qū)動電機(jī)，可直接控制轉(zhuǎn)矩，對轉(zhuǎn)矩的精度有更高的控制。

6 變頻調(diào)速方式的技術(shù)優(yōu)勢

6.1 實現(xiàn)了無級調(diào)速。因為變頻電機(jī)使用的變頻器能夠控制電機(jī)的調(diào)速方式，原理上可以運(yùn)行任何一種轉(zhuǎn)速，調(diào)速時具有很好的平滑性，精度也相對高一些。當(dāng)電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩，這可以縮短電機(jī)啟動時的響應(yīng)時間，提高電機(jī)的啟動速度。

6.2 啟動時需要的電流較小。電機(jī)在啟動時會產(chǎn)生較大的電流和振動，對電機(jī)的性能是有一定的損耗的。相比于直流電機(jī)使用時產(chǎn)生較大的啟動電流沖擊電網(wǎng)來說，變頻調(diào)速對電網(wǎng)的沖擊性小，節(jié)能效果強(qiáng)，對電網(wǎng)的容量大小要求沒那么嚴(yán)格，能夠延長電機(jī)設(shè)備的使用年限。

6.3 變頻電機(jī)的體積小。傳統(tǒng)直流電機(jī)體積非常大，而且運(yùn)行效率不高，容易產(chǎn)生錯誤，變頻調(diào)速電機(jī)的體積小很多，而且結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，后期維護(hù)使用更加方便，具有更大的推廣價值。

6.4 節(jié)能效果好。基本上所有的機(jī)械設(shè)備在設(shè)計時都會對驅(qū)動功能留出一部分富余量。普通電機(jī)在低速運(yùn)行時，多余的轉(zhuǎn)矩會加大消耗功率，浪費(fèi)電能，變頻調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)矩要求小的同時也會較小輸出的功率，電能利用更加充分，避免能源的浪費(fèi)。

綜上所述，因為電機(jī)運(yùn)行需求不同，電機(jī)的運(yùn)行速度需要得到有效的控制，而想要實現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行速度的良好控制，就需要應(yīng)用變頻器進(jìn)行變頻驅(qū)動控制。變頻器在電機(jī)的驅(qū)動控制中有著重要的作用，變頻器是一種較為先進(jìn)的設(shè)備，因為能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行變頻控制，而且還能節(jié)約能耗，所以被普遍應(yīng)用，并且也取得了有效的成果。目前，變頻器已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)控制的一種重要工具，發(fā)展速度快，應(yīng)用廣，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值，值得推廣。