變頻器對變頻電機的驅動控制研究

張慶迎

（遼寧豐田金杯技師學院，遼寧 沈陽110101）

國內電子技術、計算機技術以及自動化技術都在不斷發展，驅動控制技術逐漸占據工業控制的主要地位。從目前的電氣行業發展來看，電氣的傳動技術也正在變革，交流傳動漸漸取代了直流傳動，計算機信息技術也在逐漸取代模擬技術。交流變頻驅動技術因為其本身節能、可靠、簡便的特點被應用在電機驅動控制中，改變了傳統直流傳動技術效率低、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備，電力電子器件的功能是在電路中進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速結果也是不同的。控制方式可分為開環控制和閉環控制，開環控制中，電壓和頻率成正比例控制，閉環控制中又分為轉差頻率以及矢量的控制。變頻器運行時電路有交流- 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為直流電，用逆變器將直流電變為交流電，相互之間可調。

2 變頻電動機的特點

2.1 電磁設計。一般的電動機設計時都會考慮到的性能參數主要有過載能力、啟動性能、功率因數等。變頻電動機則不需要過多考慮過載能力以及啟動性能，關鍵問題在于改善電動機對于非正弦波電源的適用能力。其電磁設計方式如下：（1）減小定子和轉子電阻。設計中減小定子電阻能夠在一定程度上降低銅耗，從而彌補高次諧波產生的銅耗，起到一個互補的作用。（2）增加電感。為了限制電流中高次諧波的產生，減少銅耗，可以適當增加電機的電感。但是可能會導致轉子槽漏抗增大，一樣會產生高次諧波的銅耗，所以在設計電機的漏抗大小時要顧及到整體阻抗的適應合理性。（3）主磁路不飽和。變頻電動機的電磁在設計時主磁路一般會設計成不飽和狀態，一方面考慮到高次諧波的產生會增加磁路飽和，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矩。

2.2 結構設計。變頻電動機的結構設計需要考慮到非正弦波電源對變頻電動機的絕緣結構、振動強度以及噪聲強度等方面的影響，以下問題需要注意：（1）絕緣等級。絕緣結構的等級通常為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。關于電動機的噪聲以及振動強度等問題，要注意電動機結構的構件以及其剛性，盡量提高電機頻率，以免發生與各磁力波共振的情況。（3）冷卻方式。電動機運行的冷卻方式要選擇強迫通風，電機的散熱風扇盡量用獨立的電機驅動器。（4）軸電流。如果電機的容量超出了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，會對軸承產生很大的負擔，損壞軸承使用，因此有必要用絕緣措施阻止軸電流的產生。

3 變頻器對電機的影響

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

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

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

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

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

4 變頻電機驅動控制系統的工作原理

變頻器通過RS485 接口接收主控系統的命令，如風扇轉速信號，主控計算機可以通過RS485 接口遠程啟動和停止變頻器，變頻器通過RS485 接口將轉速等信號反饋傳輸給主控計算機系統。變頻器通過電纜與變頻電機連接，電機驅動液壓泵，液壓泵驅動液壓馬達，液壓馬達驅動風扇旋轉，風扇轉速通過轉速傳感器發出脈沖信號變換后傳給變頻器，變頻器通過讀取風扇實際轉速，對風扇的轉速進行閉環控制。風扇轉速在0r/min～5500r/min 時，控制精度為±5r/min，風扇的最高轉速為5500r/min，同時，風扇的控制精度可以根據實際情況做相應的調整。

5 變頻器控制技術

5.1 電壓矢量控制。通過讀定子電流就那些坐標變換來達到電壓的矢量控制時，要將電機三相坐標按照直角坐標進行定子電流同步變換。在進行變換時要將電流矢量根據要求進行靜止坐標下的同步變換，然后將兩相靜止坐標的電流根據要求進行變換。在變換的過程中要考慮到直流電機的控制方式的基本要求，也要熟知坐標逆變的具體規范，才能更好的掌握異步電動機的控制量的實際情況。另外在進行該方法的時候，要對轉速和磁場進行單獨的控制，要根據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不同帶來的不同影響，因為矢量變化本身就很復雜，如果不能夠按照要求進行變換，就很難到的預期效果。

5.2 直接轉矩控制。直接轉矩控制技術能夠彌補電壓矢量控制中存在的短處，而且優點在于結構較為簡單，動靜態性能強。經過研究人員對其不斷的完善，直接轉矩技術已經被應用到大功率電機牽引交流傳動中。直接轉矩可以在定子坐標下建立交流電機的數字模型，省去了很大一部分的矢量變換計算步驟，發展前景更為廣闊。

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，對于電機的容量要求高，而變頻控制技術中的矩陣式交流- 交流控制技術可以改善這些缺點，實現能源在電網中的循環反饋。而矩陣式的控制方式將其中的直流變流環節省去，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動電機，可直接控制轉矩，對轉矩的精度有更高的控制。

6 變頻調速方式的技術優勢

6.1 實現了無級調速。因為變頻電機使用的變頻器能夠控制電機的調速方式，原理上可以運行任何一種轉速，調速時具有很好的平滑性，精度也相對高一些。當電機處于低速運轉時，能夠輸出較大的轉矩，這可以縮短電機啟動時的響應時間，提高電機的啟動速度。

6.2 啟動時需要的電流較小。電機在啟動時會產生較大的電流和振動，對電機的性能是有一定的損耗的。相比于直流電機使用時產生較大的啟動電流沖擊電網來說，變頻調速對電網的沖擊性小，節能效果強，對電網的容量大小要求沒那么嚴格，能夠延長電機設備的使用年限。

6.3 變頻電機的體積小。傳統直流電機體積非常大，而且運行效率不高，容易產生錯誤，變頻調速電機的體積小很多，而且結構簡單，生產成本低，后期維護使用更加方便，具有更大的推廣價值。

6.4 節能效果好。基本上所有的機械設備在設計時都會對驅動功能留出一部分富余量。普通電機在低速運行時，多余的轉矩會加大消耗功率，浪費電能，變頻調速電機轉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。

綜上所述，因為電機運行需求不同，電機的運行速度需要得到有效的控制，而想要實現對電機運行速度的良好控制，就需要應用變頻器進行變頻驅動控制。變頻器在電機的驅動控制中有著重要的作用，變頻器是一種較為先進的設備，因為能夠對電機進行變頻控制，而且還能節約能耗，所以被普遍應用，并且也取得了有效的成果。目前，變頻器已經成為工業生產控制的一種重要工具，發展速度快，應用廣，具有很強的應用價值，值得推廣。