變頻器對變頻電機的驅(qū)動控制分析

丁志華

寧夏回族自治區(qū)固海揚水管理處 寧夏中衛(wèi) 755100

隨著我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻驅(qū)動技術(shù)水平隨之不斷提升，其綜合性能更加成熟，因為其具有良好的實用性，所以被人們大范圍運用到了電機驅(qū)動控制之中。這篇文章主要圍繞變頻器對變頻電機的驅(qū)動控制展開全面深入地研究分析，希望能夠?qū)ξ覈姎夤I(yè)行業(yè)的未來穩(wěn)步健康發(fā)展有所幫助。

1 變頻調(diào)速方式的應(yīng)用價值

1.1 實現(xiàn)了無級調(diào)速

將變頻調(diào)速的方法加以良好地運用可以有效地完成無級調(diào)速，這主要是因為在變頻電機大范圍運用的形勢下，變頻器可以更加高效地對電路實施調(diào)控，從而確保速度能夠保證始終維持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在電機的運轉(zhuǎn)速度相對較低的時候，電機就會自行調(diào)整轉(zhuǎn)矩，增加轉(zhuǎn)矩從而實現(xiàn)控制電機啟動時間的目的，盡可能地提升電機的啟動效率。

1.2 啟動時需要的電流較小

在啟動電機的時候，一般會提升電流、增加振動頻率，這樣必然會對電機的運行性能造成一定的損害，無法對電機加以良好的保護。為了切實規(guī)避上述不良情況的發(fā)生，泵站工作人員可以運用調(diào)節(jié)變頻的方法來控制電機啟動過程所需要使用到的電流和振動頻率，對于電機運行性能加以良好的保護，盡可能地保證電機的使用效果和壽命。

1.3 節(jié)能效果好

所有的機械設(shè)備在實際運行的過程中往往都會形成諸多的富余量，從而為驅(qū)動給予必要的輔助。對于一般的電機設(shè)備來說，在維持低速運行的時候，多余的轉(zhuǎn)矩必然會導(dǎo)致功率的增加，造成能源浪費的情況發(fā)生。就變頻設(shè)備來說，輸出轉(zhuǎn)矩一般較小，并且也可以對輸出功率加以把控，促進電能使用效率的提升，盡可能地規(guī)避泵站電能出現(xiàn)浪費的情況，促進社會經(jīng)濟效益和降低泵站能源單耗。

1.4 降低了無功損耗，提高了電能使用率

電網(wǎng)中的無功率不僅會導(dǎo)致設(shè)備和線路損耗的增加，并且還會造成設(shè)備溫度的不斷提升，甚至會誘發(fā)火情的發(fā)生。變頻調(diào)速裝置中所設(shè)置的濾波電流一般可以有效地篩出電網(wǎng)中的無功功率，從而促進電機的運轉(zhuǎn)效率，避免設(shè)備溫度的提升。

2 變頻電動機的特點

2.1 電磁設(shè)計

通常情況下，在針對電動機實施設(shè)計工作的時候，都會對其各項性能參數(shù)加以重點分析，變頻電動機的設(shè)計一般不需要過分對過載能力以及氣動性能加以關(guān)注，重點問題就是調(diào)節(jié)電動機與非正弦電波電源的適應(yīng)能力。電磁設(shè)計方式為：首先，需要控制定子和轉(zhuǎn)子的電阻。在進行設(shè)計工作的時候，適當?shù)目s減定子電阻可以有效地降低銅的損耗，有效地緩解高次諧波所造成的銅的高損耗問題。其次，提升電感。為了有效地避免電流中出現(xiàn)高頻次的諧波，控制銅損耗，可以結(jié)合實際情況和需要來增強電機的電感。但是極易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子槽漏抗的增加，這樣也會導(dǎo)致高次諧波銅損耗問題的加劇，所以在進行電機漏抗設(shè)計工作的時候，對于阻抗的適用性也需要進行良好的分析研究。最后，主磁路不飽和的問題較為突出。在針對變頻電動機的電磁實施設(shè)計工作的時候，通常都會將其設(shè)定為不飽和的狀態(tài)，不但需要對高次諧波形成的磁路飽和狀態(tài)加以考慮，并且還應(yīng)當重視不斷提升變頻器的輸出電壓，這樣就可以增強其輸出轉(zhuǎn)矩。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在實施變頻電動機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的時候，應(yīng)當對非正弦波電源對變頻電動機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動頻率以及噪聲強度加以綜合分析。詳細的來說需要對以下幾個方面加以重視：首先，絕緣等級。絕緣結(jié)構(gòu)一般等級都是F級及以上，特別需要關(guān)注絕緣體對電壓沖擊所具備的承受能力。其次，剛性。就電動機的噪聲以及振動的情況來看，需要重點關(guān)注電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及其剛性，盡可能地不斷提升電機的頻率，規(guī)避出現(xiàn)與各電磁力之間出現(xiàn)共振的問題。再次，冷卻的方法。電動機運轉(zhuǎn)過程中需要合理地選擇通風的方式，電機散熱風險盡可能運用單獨的電機驅(qū)動設(shè)備。最后，軸電流。如果電機的容量超出了規(guī)定的范圍，那么可以運用軸承絕緣的方式來對軸電流加以調(diào)控，避免磁路出現(xiàn)不對稱的情況，如果軸電流較大，那么就會導(dǎo)致軸承需要承擔較大的負荷，無法對軸承的正常使用加以保障，所以在實踐中我們可以運用絕緣措施來避免軸電流的出現(xiàn)。

3 變頻器對電機的影響

3.1 電動機的效率和溫升問題

任何一種變頻器設(shè)備，在保證正常運轉(zhuǎn)的過程中，通常都需要穩(wěn)定的電壓輔助，整個過程中往往會出現(xiàn)高次諧波電流，在這種狀態(tài)下電機就會維持在非正弦電壓環(huán)境下，所以最終會誘發(fā)嚴重的能源損耗的情況。在出現(xiàn)高次諧波電流的時候往往會加劇銅耗以及鐵耗的問題，轉(zhuǎn)子銅耗的問題十分嚴重，這些能耗問題的發(fā)生也會促使電動機設(shè)備溫度的不斷提高，無法對電動機運行穩(wěn)定性加以根本保障。

3.2 電動機絕緣強度問題

就當前變頻器設(shè)備的使用效果來看，中小型變頻器的使用概率相對較高，載波頻率也在逐漸提升，甚至會提高到幾萬赫茲。在電動機內(nèi)部所安設(shè)的定子繞組往往都需要承擔較強的電壓，從而會對電動機造成嚴重的損害，所以對于電動機的絕緣性能要求相對較高。就變頻器實際運行情況來說，一般會形成矩形形斬諧波電壓，在其與電動機的電壓進行融合之后，就會對電動機的絕緣結(jié)構(gòu)形成一定的損害，不利于電動機的穩(wěn)定持續(xù)運轉(zhuǎn)。

3.3 諧波電磁噪聲與振動

為了保證電磁設(shè)備和機械設(shè)備都可以為實踐工作提供良好的幫助，最為關(guān)鍵的就是需要從各個細節(jié)入手來增強其散熱性能。在電動機的運轉(zhuǎn)過程中一般振動的頻率以及幅度會逐漸地增加，并且會產(chǎn)生嚴重的噪聲。在變頻電源之中，各類諧波一般都是普遍存在的，并且各類諧波之間也存在明顯的關(guān)聯(lián)，在頻率保證穩(wěn)定的狀態(tài)時，所產(chǎn)生的共振現(xiàn)象最終會誘發(fā)較為強烈的噪聲。在電動機維持正常持續(xù)運轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的過程中，速度的波動范圍會隨之快速地擴大，并且不能高效地對電磁力波以及電動機振動頻率進行準確的判斷，噪聲現(xiàn)象以及振動問題不能得到有效緩解。

3.4 電動機適應(yīng)頻繁啟動、制動的能力

變頻器逆變器電機在電源開啟之后就會處在運行的狀態(tài)，電機也可以在較低的頻率以及電壓狀態(tài)下啟動，這個時候沖擊電流一般相對較小。制動變頻器的運行可以使用多種方法來提升運轉(zhuǎn)速度，電機也可以進行隨時制動。

3.5 低轉(zhuǎn)速時的冷卻問題

電機自身抗阻效果相對較差，處在低速運行的狀態(tài)過程中，電源中會形成高次諧波，這個時候的銅耗相對較高。其次，在電機處在低速運行的狀態(tài)的時候，冷卻風量與運轉(zhuǎn)速度之間會形成失衡的狀態(tài)，這個時候電機處在低速運行的狀態(tài)，要想輸出轉(zhuǎn)矩是非常困難的。

4 變頻器工作原理

變頻器通常都是由多個電力電子部件組合而成的設(shè)備，電力電子部件的作用就是在電路之中起到阻斷的作用。變頻器的主要作用就是調(diào)節(jié)電流，變頻器采用不同的控制方法往往最終形成的調(diào)速結(jié)果都是不一樣的?？刂品绞街饕婕伴_環(huán)控制以及閉環(huán)控制，就開環(huán)控制實際情況來說，電壓、頻率都是以正比例的狀態(tài)進行控制，閉環(huán)控制中主要涉及轉(zhuǎn)差頻率以及矢量控制。變頻器在運行的過程中，其實際運行原理就是用整流器將電流電調(diào)整為直流電，并且相互之間可以進行調(diào)控。

5 變頻電機調(diào)速系統(tǒng)

變頻電機調(diào)速系統(tǒng)通常涉及四個分支，也就是整流電路、濾波電路、制動電路以及逆變電路，這一電路輸出波形為脈沖方波，主要波形可以劃分為高次諧波，電路中電壓發(fā)生變化的頻率就會依據(jù)相關(guān)比例完成調(diào)整，二者無法獨立進行調(diào)整，這就充分說明了，這一電路在實際運行中無法滿足供電電源的實際需要。

(1)整流電路。整流電路通常都是借助三相不可控橋式整流電路來實施操控的，利用這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以將三相電流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，為后續(xù)電能供應(yīng)給予輔助。

(2)濾波電路。整流電路之中調(diào)整完成的電流中，高次諧波的占比較高，濾波電路的作用就是對這類電流實施專門的處理，也可以有效地規(guī)避逆變電路和整流電路之間發(fā)生耦合的情況，盡可能避免電路遭到任何的干擾，從而將電路中的功率加以良好的把控。在電路與電源進行連接之后，電容兩邊的電壓都會維持0的狀態(tài)，這樣就會造成線路通電之后，濾波器電容充電較大的電流極易對整流橋中的二極管形成一定的損害，可以借助電阻來對上述問題加以規(guī)避，等到電流中電流達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，將電阻實施短路處理。

(3)制動電路。制動電路的作用就是對電路中的反饋能量加以清除，這些能量往往都是形成于電機減速的過程中，轉(zhuǎn)子速度超過電機運行速度的時候，過量的動能就會導(dǎo)致直流電阻體現(xiàn)了濾波電容兩邊電壓的增加，如果沒有加以良好的處理，那么必然會對變頻器造成一定的損害，制動電路的設(shè)置也可以有效地將上述問題加以解決。

(4)逆變電路。逆變電路中最主要的部件就是逆變管，其主要作用就是將現(xiàn)有的三相橋式整流電路調(diào)整為直流電來完成逆變的轉(zhuǎn)變，在完成上述操作之后，幅值以及頻率往往都可以加以調(diào)控。逆變電路系統(tǒng)在加以實踐運用的時候，可以利用兩種方式來完成控制，也就是閉環(huán)反饋控制以及開環(huán)反饋控制。開環(huán)反饋控制在實踐中的作用就是為變頻設(shè)備提供頻率信號，對于變頻器的循環(huán)運行加以控制，這樣就可以完成對電機的把控。電機在實際運行中可以利用功率來對轉(zhuǎn)動速度加以調(diào)控，轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速之間往往都具有一定的差別，這一誤差無法加以良好的規(guī)避，所以在精度要求相對較高的電機場中這一控制模式無法發(fā)揮出良好的作用。閉環(huán)反饋控制就是在開環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上完成全面的調(diào)整，調(diào)整方法就是增設(shè)反饋環(huán)節(jié)，在實際運用的過程中結(jié)合環(huán)境情況來對誤差加以調(diào)控，這樣就可以保證良好的輸出效果。大多數(shù)的閉環(huán)反饋控制在實踐運用中通常都需要專門的轉(zhuǎn)速傳感器來加以輔助，這類傳感器的安設(shè)可以將獲取的轉(zhuǎn)速信號加以反饋，并且與前期設(shè)定的標準參數(shù)進行對比，結(jié)合對比結(jié)果來實施調(diào)整，從而控制轉(zhuǎn)速之間所存在的差異，保證電機能夠維持正常運轉(zhuǎn)。

6 變頻電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的工作原理

變頻設(shè)備一般都可以利用RS485接口來獲取主控系統(tǒng)的指令，例如，風扇轉(zhuǎn)動的速度，主控設(shè)備可以利用RS485接口來完成遠程對變頻器的調(diào)控。變頻器也可以借助RS485接口將轉(zhuǎn)速等信號傳遞到主控計算機系統(tǒng)。變頻器的主要功能就是將信號輸送給計算機設(shè)備，隨后進行專門的處理。變頻器也可以運用線路與變頻設(shè)備形成完整的整體，電機驅(qū)動液壓泵在整個系統(tǒng)中的作用就是為提供動能，液壓馬達可以為風扇的正常轉(zhuǎn)動給予必要的動能，風扇的轉(zhuǎn)動通常就是運用轉(zhuǎn)速設(shè)備來將信號傳送到變頻器之中的，變頻器對風扇的轉(zhuǎn)動情況進行掌握，從而實施調(diào)控。

(1)在閉環(huán)狀態(tài)下可以對控制量情況進行設(shè)定和調(diào)控，變頻器結(jié)合調(diào)控參數(shù)來對變頻器輸出頻率加以管控，對于電動機的運行速度進行良好的調(diào)節(jié)。(2)在實際運轉(zhuǎn)的過程中，變頻器的運轉(zhuǎn)頻率往往都是由計算機加以控制的。(3)變頻器在運轉(zhuǎn)的過程中一旦出現(xiàn)任何的故障都可以將故障信號傳遞給計算機。(4)借助變頻器設(shè)備上的主界面可以完成變頻器的運行速度、開關(guān)、急停等操控。

7 變頻器控制技術(shù)

7.1 電壓矢量控制

在利用定子電流來獲取坐標轉(zhuǎn)換來完成電壓適量的把控，需要將電機三相坐標依據(jù)直角坐標系來實施定子電流的調(diào)整。在實施調(diào)換的時候，需要將電流矢量結(jié)合實際情況在靜止坐標中進行適當?shù)恼{(diào)換，之后將兩相靜止坐標電流結(jié)合實際需要來加以轉(zhuǎn)換。在進行上述操作的時候，需要對直流電機的控制模式加以掌控，并且需要對坐標逆變的相關(guān)規(guī)范標準加以掌握，這樣才可以對異步電動機控制量各方面情況加以掌握。在將上述方法加以運用的時候，應(yīng)當對轉(zhuǎn)速以及磁場進行分別把控，結(jié)合分量的情況來加以判斷。但是就實際情況來說，還應(yīng)當對各個參數(shù)所造成的不同影響加以綜合考慮，如果無法按照規(guī)定來完成調(diào)換，那么是無法實現(xiàn)既定的效果目標的。

7.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的運用可以有效地對電壓矢量控制中所存在的問題加以解決，并且其最為突出的優(yōu)越性就是整體結(jié)構(gòu)相對簡單，性能較強。通過專業(yè)人士的不斷優(yōu)化，直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)水平不斷提升，并且被人們引用到了大功率電機牽引交流傳動之中。

結(jié)語

總的來說，變頻器在電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中的作用是非常關(guān)鍵的，變頻器是當前最為先進的機械設(shè)備，因為可以完成對電機的變頻控制，也具備良好的節(jié)能降耗的特征，所以受到了人們的廣泛青睞，被人們大范圍運用。