淺談變頻器對變頻電機的驅動控制

摘 要：變頻驅動技術具有節能降耗、安全可靠、設計簡單等優點，廣泛用于電機的驅動控制中。本文詳細的介紹了變頻技術的工作原理、系統結構等，并深入的探討了變頻驅動技術在電機控制中的應用。針對變頻驅動控制系統與電機最佳匹配問題，提出從驅動電源和電機本身的結構出發，解決變頻器輸出電壓含有高次諧波的問題。

關鍵詞：變頻器；電機驅動；控制技術

1 引言

隨著電力電子、計算機和自動控制技術的迅速發展，交流傳動與控制技術逐漸成為工業控制的重要內容。目前，電氣傳動技術正面臨著一場革命，即交流調速取代直流調速，以計算機為基礎的數字技術取代模擬技術。交流變頻驅動控制技術以其節能降耗、可靠性高、設計簡單、便于應用等優點成為目前電機驅動控制的主要發展趨勢[1]。變頻技術實現了交流電機的無級調速，克服了傳統直流調速技術體積大、故障率高的缺陷，成為目前發展最為迅速的技術之一。交流變頻驅動技術主要是針對三相電路的一種電機控制技術，鐘玉林為了降低逆變器的共模電壓和共模干擾，采用特定諧波消除脈寬調制技術，從源頭上消除了變頻器輸出共模電壓中的低頻分量[2]。變頻器根據其變換的環節可以分為：交—直—交變頻器和交-交變頻器。

2 變頻電機調速系統

2.1 變頻電機調速系統原理

變頻器調速系統的整個電路包括整流電路、濾波電路、制動電路和逆變電路等幾個部分組成，其輸出電壓的波形為脈沖方波，含有的大量的高次諧波成分多。電壓和頻率必須按照一定的比例同時變化，無法實現分別調整，因此不能作為供電電源使用。采用變頻調速系統驅動電機時可以實現無級調速，其結構圖如圖1所示。

2.1.1 整流電路：整流電路一般采用三相不可控橋式整流電路實現，VD1-VD6組成三相不可控整流橋。將三相交流電轉化成直流電形式。

2.1.2 濾波電路：整流后的電壓含有大量的高次諧波，需要采用濾波電路進行處理。濾波電容除了濾除高次諧波外，還起到消除整流電路與逆變電路之間的耦合，消除干擾，提高功率因數的作用。在接入電源時，由于電容兩端的電壓為零，因而上電瞬間濾波器電容充電電流很大，容易損壞整流橋的二極管。因此，需要在上電的瞬間將電阻Rs串聯接入直流母線中以限制充電電流，當充電到一定程度時閉合開關將電阻Rs短路。

2.1.3 制動電路：電機在減速時，轉子的轉速將可能超過此時的同步轉速而處于再生制動（發電）狀態，拖動系統的動能將反饋到直流電路中使直流母線濾波電容兩端產生泵升電壓，使變頻器產生過壓，甚至可能損壞變頻器。制動電路就是用來消除這部分反饋能量，防止泵升電壓的模塊。

2.1.4 逆變電路：逆變管V1-V6組成三相橋式整流電路將直流電逆變成頻率和幅值都可調的交流電。逆變模塊的IGBT開關控制信號常采用脈寬調制技術（PulseWidthModulation-PWM）實現。

逆變調速系統具有兩種控制方式：開環控制和閉環反饋控制。開環控制方式主要用于對轉速偏差要求不高的場合，即轉速的精確度不是調節的重要變量[3]。開環控制就是給定變頻器一個頻率信號，變頻器根據這個頻率信號對電動機輸出相應的功率，實現電機的控制。電機的轉速由給定功率決定，其轉速與給定轉度具有一定的誤差，開環控制方式無法對這個偏差進行調整，因此在對轉速精度要求較高的場所，開環控制方式并不適用。閉環反饋控制方式是在開環控制的基礎上加入了反饋環節，根據實際控制誤差調節控制量，達到系統輸出精確跟蹤期望值的目的。閉環反饋控制系統一般會再電動機上安裝轉速傳感器，并將測得的轉速信號反饋給輸入端，與參考值做差計算控制誤差。變頻器依據實際的轉速偏差進行調整，直到電機轉速與給定轉速偏差降低到允許范圍內。

2.2 變頻器控制技術

2.2.1 電壓矢量控制。電壓矢量控制是將異步電機三相坐標系下的定子電流進行同步直角坐標變換，其變換矩陣如式（1）和（2）所示。先將三相對稱坐標系下的電流矢量Ia、Ib、Ic轉化為兩相靜止坐標系下電流矢量I？琢和I？茁，再將兩相靜止坐標系下電流分量轉換到同步直角坐標系下電流分量Id和Iq。Id是直流電機的勵磁電流，Iq相當于正比于轉矩的電樞電流。模仿直流電機的控制方法，求得直流電機控制量，再經過坐標逆變換求得異步電動機的實際控制量。該控制方法采用直流電機的控制方式，分別對轉速和磁場兩個分量進行單獨控制。經過坐標變換實現了轉矩和磁場的解耦控制，該方法的提出具有跨時代的意義。在實際的應用中，由于系統性能收到電機參數的影響，且矢量旋轉的變換比較復雜，使得控制效果難以達到理想的狀態。

2.2.2 直接轉矩控制。直接轉矩控制技術是1985年由魯爾大學的DePenbrock首次提出的。該技術能夠有效的解決上述矢量控制中存在的不足，并具有結構簡單、動靜態特性好的優點。經過不斷的發展完善，該技術已經在大功率電力機車牽引交流傳動中得到了應用。直接轉矩控制在定子坐標下建立交流電機數學模型，無需將交流電機進行等效處理，省去了矢量變換的復雜計算，因此具有廣闊的發展前景。

2.2.3 矩陣式交-交控制。矩陣式交-交控制不同于以上兩種方式，它克服了交-直-交變頻控制輸入功率因數低，諧波電流大，儲能電容要求高的缺陷，還可以實現再生能源向電網的反饋。此外，這種控制方法還省去了中間直流環節，因此大大的降低了成本。該方法不是通過間接控制電流、磁鏈量等方法實現電機驅動，而是直接控制轉矩，因此具有較高的啟動轉矩和精確的轉矩控制精度。當電機處于啟動階段時，輸出的轉矩能夠達到150%-200%，這大大的提高了電機的響應速度。

2.3 變頻調速方式的技術優勢

采用變頻調速系統實現電機控制具有以下技術優勢：

2.3.1 實現了無級調速，調速性能好。由于變頻電機采用的變頻調速技術原理上可以輸出任何轉速，因此調速時平滑性好、精度高。當電機轉速處于低速啟動階段時，輸出轉矩較大，這大大縮短了電機的響應時間，提升了電機的啟動效率。

2.3.2 啟動時需要的電流較小，對電網無沖擊，節能效果顯著。直流電機啟動電流較大，常常會對電網造成沖擊，而且對電網的容量要求也較高。電機啟動時產生的大電流和抖振對電機硬件部分危害很大，極大的降低了設備的使用壽命。采用變頻調速方式可以實現軟啟動，電流從零開始，最大值也不會超過額定值。這不僅消除了對電網的沖擊，而且降低了系統對電網容量的要求，延長了設備的使用壽命，降低了硬件維護費用。

2.3.3 變頻電機的體積小，安裝、調試、維護簡單。異步電機尤其是鼠籠式電機具有結構簡單、成本低、使用和維護方便、運行可靠性高等優點，因此應用較為廣泛。

2.3.4 易于實現自動化控制。由于變頻控制技術實現了電機的解耦控制，PLC、單片機、DSP等先進的數字控制技術能夠得到有效的利用。

2.3.5 節能效果好。各種生產機械在設計時，其驅動能力都會留有一定的富余量。當電機處于低負載運行狀態時，多余的扭矩增加了有功功率的消耗，導致電能的浪費。采用變頻調速技術以后，如果轉矩要求減小，其輸出功率就會相應減小，這大大的提高了電能的利用率，防止能源的浪費。

2.3.6 降低了無功損耗，提高了電能使用率。電網中的無功功率不但會增加設備和線路的附加損耗，而且會引起設備過熱，嚴重時可能引發火災。變頻調速裝置中的濾波電路能夠有效的濾除電網中的無功功率，提高電機的運行效率，防止設備過熱。

3 電機變頻驅動存在的問題及解決措施

目前，導數變頻電機仍然采用普通的異步電機作為替代品。然而普通的異步電機設計從恒頻、恒壓的公共電網中獲取能源，這將會導致變頻電機與所設計的變頻驅動電路不適配的問題，其主要表現在系統產生脈動轉矩，電機損耗增大，產生高頻噪聲等。

產生這些問題的原因有[4]：（1）變頻器一般采用脈寬調制技術，其輸出電壓中含有部分高次諧波電流，因此，逆變器輸出的電能無法適應普通交流電機的要求。（2）普通的異步電機超速性能弱，削弱了變頻器調速范圍大的優勢。（3）由于普通異步電機的排風扇與電機同軸，所以其散熱效果與電機轉速的三次方成正比。當電機處于低速運行時，電機的散熱較差，這必將導致電機溫度驟升，使之無法達到恒轉矩輸出的狀態。（4）脈寬調制技術所采用的載波已由幾千赫茲發展到上萬赫茲，這使電機繞組承受了很大的電壓變化率。電機繞組導線絕緣層隨之也承受了很大的電感電動勢，這容易導致電機繞組的老化加速。（5）由于變頻器輸出電壓中含有高次諧波，這大大的增加了電機的附加損耗，導致電機運行效率的下降。當電壓諧波含量較高時，普通交流電機會產生過熱，而無法正常運行。（6）變頻器供電過程中，產生了復雜的電磁場，與電機繞組產生電磁感應，引起電機抖振。由于電磁波的頻率范圍大，因此，防止電動機各個部件與電機運行時產生的電磁場發生共振的困難加大。

由上面的分析可知，變頻器驅動普通異步電機所產生的各種問題的主要原因是變頻器輸出電壓中含有高次諧波。因此解決以上問題主要從兩個方面入手：（1）改善驅動電源。為了改善逆變器輸出電壓和電流的波形，降低其中的諧波含量，可以改進脈寬調制控制技術，減少其產生的諧波，也可以采用無源濾波器或有源濾波器實現諧波補償。（2）研究新型逆變電機。目前，國內外尚無真正的逆變電機出現，變頻電機的研究僅僅是消除或削弱諧波對傳統異步電機的影響。例如，在傳統異步電機的設計時，去除其對啟動電流、啟動轉矩和最大扭矩的限制。

4結束語

采用逆變器實現逆變電機的控制是未來電機驅動的發展趨勢。本文詳細介紹了電機變頻調速系統的工作原理、系統結構和技術優勢。針對目前電機與逆變器存在的驅動電源不匹配問題，本文提出從電機和驅動電路本身出發的解決措施，具有很好的理論及現實意義。

參考文獻

[1]陳志根.變頻驅動控制及其對電機作用的研究[D].華北電力大學，2005.

[2]鐘玉林，趙爭鳴，白華.對三電平變頻器驅動電機的共模電壓抑制的研究[J].電工電能新技術，2008，27（3）：31-34.

[3]胡巖，陳坤.變頻器開環驅動永磁同步電機[J].建材世界，2010，31（4）：50-52.

[4]王飛.微型電機變頻驅動控制系統性能評價及實驗的研究[D].北京：北京化工大學，2007.