變頻器拖動異步電機調速實驗

王春鳳, 薛文軒

(清華大學 自動化系，北京 100084)

“電力拖動系統”是高校自動化專業、電氣自動化專業開設的核心專業課程[1]。近年來，隨著變頻技術的迅速發展，交流變頻器以其很好的調速、節能性能而備受青睞[2-3]。開發交流電機變頻調速實驗技術和實驗方法，用前沿技術的科研成果拓展豐富的實驗內容，設計多層次、多類型實驗教學模式，通過增加師生互動，激發學生對實驗的興趣，對提高學生思考問題、解決實際問題的能力，提升學生的創新意識，具有重要意義。

1 系統組成

變頻器拖動異步電機調速系統主要由交流變頻器、三相交流異步電機(以下簡稱交流異步電機)、直流發電機和測速電機組成，如圖1所示。變頻器由整流器、二極管、直流母線電容、三相逆變橋等部分組成。變頻器的輸入端接220V/50Hz的電網，輸出端接交流異步電機。作為負載的直流發電機的勵磁回路以及電樞回路接線圖如圖2所示[4]。

圖1 系統構成框圖

圖2 直流發電機系統接線圖

2 實驗內容設計

(1) 富士電機的變頻器(型號FRENIC-Multi)的基本功能的學習和設定。

(2) 觀測典型U/f曲線(基礎型)。

(3) 測量交流電機的機械特性曲線(基礎型)。

(4) 變頻器低頻轉矩提升實驗(基礎型)。

(5) 變頻器輸入、輸出電流的測試與分析(研究型)。

(6) 正弦波脈寬調制(SPWM)電壓的測試與分析(研究型)。

(7) 不同轉矩提升功能條件下的U/f曲線的測定(綜合設計型)。

(8) 變頻器的多段速控制功能實現(綜合設計型)。

3 實驗設計的特色和實驗結果

3.1 測定交流異步電機的機械特性

交流異步電機穩定運行時，電磁轉矩Te與負載轉矩相同。以直流發電機+可變電阻作為交流電機的負載，忽略機械摩擦轉矩，直流發電機的電磁轉矩(可用電樞電流代替)近似于交流異步電機的負載轉矩；直流發電機的電樞電流正比于系統的轉速，所以這種負載既能較準確地反映電機的工作特性，而且其安全性較好(當然這種負載與實際工程中所用負載有差距)。因此，直流發電機電樞電流Ia與電機轉速n的關系曲線可以粗略反映交流異步電機的機械特性曲線[5-6]。

交流異步電機固有機械特性不是一條直線，是跨越3個象限的曲線。圖3為第一象限部分的示意圖，圖中C點稱為最大轉矩點[1]。

圖3 交流異步電機機械特性曲線(第一象限)

對于學生的基本要求是測量圖3中AC段中近似直線部分，鼓勵有興趣的學生測量最大轉矩點C點附近曲線。但是，在實際運行過程中，C點附近的工作特性的測定有很大的難度。實際測量時，除了均勻調節滑動變阻器(即減小電阻，增大直流發電機電樞電流)，更要密切監測直流發電機電樞電流、交流異步電機電流以及電機轉速，不能超過額定值。另外，注意在負載較大的情況下工作時間不宜過長，以防電阻發熱導致實驗測量不準確。

思考題中要求將U/f控制下的交流異步電機機械特性與直流發電機的特性進行對比，討論有何異同[7]。在實驗過程中，不僅讓學生理解了交流異步電機的工作特性，還培養了學生嚴謹細致的工作態度，加強了對實驗動手能力和實驗技能以及嚴肅認真和實事求是的科學作風的培養。根據實驗結果，畫出的交流異步電機機械特性曲線見圖4。

圖4 實驗測出的交流異步電機機械特性曲線

3.2 提取并改善變頻器輸出電壓波形

變頻器輸出的SPWM電壓波形含有大量的高次諧波，而電機轉矩主要依賴于基波電壓有效值。在SPWM變頻器-交流電機系統中接入濾波器，可以有效提取基波電壓。在實測基波周期內變頻器輸出電壓波形的基礎上，通過分析和研究與接入的RC濾波器參數關系，研究RC濾波器的參數對輸出大小和波形的影響，確定濾波器參數的選擇范圍[8]。

3.3 研究變頻器輸入和輸出電流波形

變頻器輸入的有功功率與輸出的有功功率應該相等。變頻器的輸入端為頻率50Hz的220V交流電壓，變頻器的輸入電流中沒有無功電流分量，而在變頻器輸出端，由于電容上存在無功電流，當變頻器運行于基頻以下的時候，實驗采用恒壓頻比控制方式，即U/f為常數，這種情況下，變頻器的輸出電壓小于輸入電壓，所以，在基頻以下運行的時候，變頻器的輸出電流幅值大于輸入電流幅值。

通過提取變頻器的輸入及輸出電流波形，啟發學生應用能量守恒定律解釋分析輸入電流小于輸出電流的原因，以及應用SPWM控制技術解釋電流畸形產生的原因。

3.4 用科研成果和工程問題拓展實驗教學內容

近年來，關于電動汽車和風力發電機組的轉矩特性的研究有了突破性的成果[9]。這些負載轉矩特性不同于恒功率負載和恒轉矩負載特性，呈二次方遞減特性。在基礎型實驗內容中，設置典型的U/f曲線測定；在綜合設計型實驗中增加二次方遞減轉矩特性的內容，開闊了學生的眼界，而且培養學生實際工程的意識。

3.5 用多層次和多類型的實驗教學增強師生互動

除了注重實驗技術的現代化和前沿化，我們還注重將最新的實驗設計方法、數據處理方法、測量標準等引入實驗教學。實驗類型有基礎型、研究型和綜合設計型。讓學生觀測變頻器輸入、輸出電流波形，輸出電流大于輸入電流的現象引起了學生的極大興趣；交流變頻器的高級功能的實驗，不同于實驗指導書，給出的是實驗任務書，讓學生自主設計實驗步驟，通過師生互動，反復實踐，實現學生自己的創意，學生從中發現自己的興趣所在；實驗數據處理方法可以采用Matlab、c語言等多種應用軟件，深入分析實驗現象。實驗數據的測量方法也是培養學生嚴謹的科學作風的重要手段，例如，我們鼓勵學生分別用萬用表和有效值表測量變頻器輸出電壓值，通過分析實驗數據的差異的原因，不僅掌握實驗儀器的工作原理和實驗方法，更重要的是深刻領會了變頻器的工作原理及應用問題。

整個實驗需要學生在掌握電機的基本工作原理、變頻器工作原理及其電機動靜態特性的基礎上，把握運動控制所描述的電機與負載的關系，認識典型的負載機械特性。這樣可以使學生融會貫通地學習自動化專業中如控制系統分析與控制方法設計等。

4 結束語

實驗應用于清華大學本科生專業核心課程“電力拖動與運動控制”的課程實驗和清華大學本科生的“運動控制專題實驗”，提高了交流電機以及變頻器實驗的技術水平，豐富了實驗教學內容，能滿足培養高水平自動化專業人才的需要。

配合現有“電力電子與運動控制”實驗教學平臺，還可以與自動化系本科生專業核心課程“電力電子技術基礎”的課程實驗“正弦逆變實驗”的部分內容相結合而構成選做實驗[10]，滿足有興趣、希望對“正弦逆變實驗”做更廣泛和深入研究的學生要求。

[1] 楊耕,羅應立. 電機與運動控制系統[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2] 徐惠琴.變頻器調速原理及運行過程中存在的問題和解決方法[J].機械管理開發,2011(1):63-65.

[3] 程峻祥.交流電機變頻器調速的控制及應用[J].科技信息,2007(23):99,114.

[4] 程勇.用單片機變頻器控制電動機調速實驗的探索[J].實驗室研究與探索,2004,23(10):69-70,86.

[5] 劉洪鑫.變頻器負載試驗的幾種方法[J].變頻器世界,2005(4):12-14.

[6] 楊耕，王春鳳，薛文軒. 電力拖動系統課程中運動方程內容的教學實踐[J].電氣電子教學學報，2010,32(2)：91-94,116.

[7] 王春鳳,李旭春,薛文軒.PWM直流調速系統實驗的教學實踐[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):32-34,49.

[8] 徐志,田志勇,李華.變頻器諧波危害分析[J].產業與科技論壇,2010，9(11)：100,103.

[9] 耿華,楊耕. 變速變槳距風電系統的功率水平控制[J]. 中國電機工程學報,2008,28(25)：130-137.

[10] 王春鳳,李旭春,薛文軒，等. 正弦波逆變電路實驗的設計與實踐[J]. 實驗技術與管理,2010,27(8)：135-138.