探究變頻器對變頻電機的驅動控制

楊鈺函

（中南大學，湖南 長沙 410000）

0 引 言

現階段，我國各種先進技術涌現，發(fā)展速度快且普及面廣的包括計算機技術、自動化技術以及電子技術等，而驅動控制技術在工業(yè)控制領域中逐漸成為主導。通過分析現階段電氣行業(yè)發(fā)展情況，我國在電氣傳動方面正在實施改革，傳統(tǒng)直流傳動逐漸被交流傳動所取代，傳統(tǒng)模擬技術也逐漸被先進的計算機信息技術所代替。交流變頻驅動技術在電機驅動控制中具有十分顯著的應用優(yōu)勢，如節(jié)能性、可靠性以及簡便性等特點，有效改善了傳統(tǒng)直流傳動技術體積大和效率低等方面的不足[1-3]。

1 變頻器工作原理

變頻器設備中集合了多種電力電子器件，其所發(fā)揮的主要功能是電路的接通和斷開以及改變電流頻率。對于變頻器的控制采用了各種不同的方法，最終獲得的調節(jié)速度結果存在著非常明顯的差異?？刂品绞缴现饕捎瞄_環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。在開環(huán)控制中實施正比例控制電壓和頻率等，在實施閉環(huán)控制中主要采用轉差頻率控制方式。變頻器的運行方式主要分為交流-交流變頻和交流-直流-交流變頻兩種，主要的運行原理是發(fā)揮整流器的作用將交流電轉化為直流電，然后發(fā)揮逆變器的作用將直流電轉向交流電，兩種轉化不是固定不變的，而是可以根據實際需要靈活調整[4]。

2 變頻電動機的特點

2.1 電磁設計

通常情況下，在設計電動機時會對過載能力、功率因數以及啟動性能等性能參數予以主要考慮。而在變頻電動機中，則不需要考慮啟動性能和過載能力，關鍵是需要改善非正弦波電源中電動機的適用能力。電磁設計方式主要包括以下幾個方面，首先需要減小定子和轉子的電阻，設計過程中適當地減少定子電阻可以適當地降低銅耗，有助于彌補高次諧波多產生的銅耗，在兩者之間形成互補。其次是增加電感，主要是用于限制電流中所產生的高次諧波，最大程度地降低銅耗。但此過程中很有可能出現增大轉子槽漏抗的現象，也會因此產生高次諧波銅耗，所以在設計電機漏抗大小的時候，要對整體阻抗有良好的適應性，保證其合理性[5-8]。最后在變頻電動機中如果主磁路不飽和，那么進行電磁設計的時候需要對處于不飽和狀態(tài)的主磁路進行，充分考慮產生高次諧波之后所造成的磁路飽和問題，另外要提升變頻器的輸出電壓，以提高輸出轉矩。

2.2 結構設計

在設計變頻電動機結構的時候需要考慮非正弦波電源產生的影響，因為其會不同程度地影響變頻電動機的多個方面，如振動強度、絕緣結構以及噪聲強度等。首先注意絕緣等級，在絕緣結構的等級選擇上，通常會選擇在F級或者以上，其中需要格外注意電壓沖擊下絕緣體所能夠承受的能力。其次為剛性，當電動機運行的過程中產生噪聲問題或者出現振動強度問題的時候，就要重視電動機的結構構件及其所具備的剛性等，盡量提高電機頻率，有效避免其與各磁力波之間所產生的共振情況。再次為所采用的冷卻方式，當電動機處于運行狀態(tài)的時候，通常會選擇強迫通風作為主要冷卻方式，盡量采用獨立電機驅動器用于電機的散熱風扇。最后為軸電流，當電機容量高于160 kW時，針對軸電流的限制需要盡量采用軸承絕緣措施，避免磁出現路不對稱的現象。當軸電流升高時會增加軸承的負擔，使用軸承的時候會產生損壞，所以需要應用絕緣措施，最大程度地控制軸電流[9,10]。

3 變頻器對電機的影響

3.1 電動機的效率和溫升問題

無論是哪一種變頻器，當處于運行狀態(tài)的時候都會產生不同強度的電壓，同時還會產生高次諧波電流，此時的電機就會處于非正弦電壓下，導致電機出現損耗。當產生高次諧波電流的時候會增加電機中的銅耗和鐵耗等，而轉子銅耗現象在其中最為嚴重。這些耗能現象的產生會使電動機出現發(fā)熱現象，造成電動機的功率下降，運行的效率也會下降。

3.2 電動機絕緣強度問題

從當前使用的變頻器情況來看，中小型變頻器居多，載波頻率非常高，可以達到幾千乃至幾萬赫茲。處于電動機的定子繞組中需要承受的電壓非常高，這種電壓沖擊對電動機而言非常大，因此對電動機絕緣結構有非常高的要求。此時所應用的變頻器在運行的過程中會形成矩形斬波電壓，與電動機的電壓疊加，導致電動機的絕緣結構所需要承受的電壓沖擊更大，由此加快了絕緣部件的老化速度。

3.3 諧波電磁噪聲與振動

在變頻電動機中，為了保證電磁需要和機械需要，需要發(fā)揮其散熱的功能。當其實際運行的時候，往往振動非常強烈，而且會產生很強的噪聲。在變頻電源中，各種諧波都不是孤立存在的，而是相互干涉。當頻率大體接近或者頻率一致時，所產生的共振現象會引發(fā)更大的噪聲。當電動機處于運行狀態(tài)的時候，速度變化的范圍也會非常大，而且很難有效分開電磁力波和電動機振動頻率，噪聲現象及振動現象都無法避免。

3.4 電動機適應頻繁啟動、制動的能力

變頻器逆變器電機啟動電源之后處于運行狀態(tài)，電機可在較低的頻率和電壓下啟動，此時沖擊電流非常小，甚至可以忽略不計。制動變頻器的時候有很多種方法使電機制動的速度加快，電機要實現頻繁起動和頻繁制動其為重要的前提。當電機處于運行狀態(tài)的時候，機械部分所發(fā)揮的作用與電磁部分所發(fā)揮的作用相同，電機的絕緣結構所需要承受的壓力非常大。

3.5 低轉速時的冷卻問題

電機本身的阻抗效果并不具有理想性。當處于低速狀態(tài)的時候，電源中產生高次諧波，此時的銅耗也非常高。同時，當電機處于低速運轉狀態(tài)的時候，冷卻風量與運轉速度之間的比例失衡，電機處于低速運轉狀態(tài)的時候是否能夠獲得冷卻效果，或者是否引起發(fā)熱現象都是難以確定的，要有效輸出轉矩，難度非常大。

4 變頻電機驅動控制系統(tǒng)的工作原理

變頻器采用RS485接口接收主控系統(tǒng)的指令，其中之一就是風扇轉速信號。通過RS485接口，主控計算機可以遠程控制變頻器的啟停，同時變頻器通過RS485接口可以將轉速信號反饋給主控計算機系統(tǒng)。變頻器與變頻電機之間通過電纜連接，電機驅動液壓泵，然后液壓泵驅動液壓馬達，再由液壓馬達驅動風扇旋轉。在轉速傳感器的幫助下，變換脈沖信號后將風機轉速傳遞給變頻器，在變頻器中就可以讀取風機的具體轉速，采用閉環(huán)控制的方法對風扇運轉速度進行調節(jié)，風扇的控制精度可根據實際情況進行調整。

5 變頻器控制技術

5.1 電壓矢量控制

電壓矢量控制通過讀取定子電流的坐標變換實現，需要根據直角坐標對電機的三相坐標實施電子電流同步變換。在這項操作中，需要根據實際同步改變電流矢量，然后根據需要改變兩相靜止坐標電流。充分考慮直流電機控制方式的基本要求，了解坐標變換的具體規(guī)定，從而充分掌握異步電機控制的實際情況。另外，在采用這一方法過程中需要單獨控制轉速和磁場，并充分考慮兩個分量實際情況。在實際操作時還需要充分考慮不同參數所帶來的不同影響。適量變化本身具有較高的復雜性，在變換過程中如果沒有按照相應要求就很難實現預期的效果。

5.2 直接轉矩控制

直接轉矩控制技術可以有效彌補電壓矢量控制的不足，具有結構簡單和動靜態(tài)強的優(yōu)點。經過相關研究人員逐步進行完善，在現階段各種大功率電機牽引交流傳動過程中逐漸廣泛應用了直接轉矩控制技術。采用這一技術可以在定子坐標下建立交流電機的數字模型，省略了很大一部分的適量變換計算步驟，發(fā)展前景更加廣闊。

5.3 矩陣式交流電控制

在變頻電路中，交-直-交變頻控制通常表現出較低的輸入功率和較高的諧波電流，這對電機容量的要求更高。針對變頻控制技術中的這一不足可以有效改進矩陣式交流電流控制技術，實現電網的能量循環(huán)反饋。矩陣控制方法可以直接消除直流換流環(huán)節(jié)，從而有效控制成本，并且實現了更高的效率。在應用這種方法過程中，擺脫了對控制電流、磁鏈驅動電機的依賴，可以對轉矩直接進行控制，并且可以更為理想地控制轉矩精度。

5.4 變頻電機的體積小

傳統(tǒng)直流電機的體積非常大，且處于低效率運行狀態(tài)，錯誤產生概率也較大，而變頻調節(jié)速度電機則具有結構簡單、體積小、生產成本低、后期維護便捷以及操作簡單等優(yōu)點，所有的推廣價值很高。

5.5 節(jié)能效果好

設計任何一種機械設備的時候，都會預留一部分余量給驅動功能。當普通電動機處于運行狀態(tài)的時候，低速運行通過轉矩就可以使電耗增加，導致浪費電能。變頻調節(jié)速度電機如果對轉矩沒有很高的要求，那么在輸出功率很小的情況下可以充分利用電能，以節(jié)約能源。

6 結 論

在電機處于運行狀態(tài)的時候，由于實際應用種會提出不同的要求，需要對電機的運行速度進行有效控制。為了真正控制好電機的運行速度，需要發(fā)揮變頻器的作用，以控制變頻驅動。變頻器可以驅動電機也可以控制電機，技術上比較先進，可以實現對電機的變頻控制工作，并且可以實現節(jié)能減排作用，目前在變頻電機中的應用也較為廣泛，所取得的成果也較為有效。在現階段工業(yè)生產控制中，變頻器已經成為了一種重要的工具，發(fā)展速度顯著提升并且得到了更為廣泛的應用，具有更高的推廣和應用價值。