探究變頻器對(duì)變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

楊鈺函

（中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引 言

現(xiàn)階段，我國(guó)各種先進(jìn)技術(shù)涌現(xiàn)，發(fā)展速度快且普及面廣的包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及電子技術(shù)等，而驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中逐漸成為主導(dǎo)。通過(guò)分析現(xiàn)階段電氣行業(yè)發(fā)展情況，我國(guó)在電氣傳動(dòng)方面正在實(shí)施改革，傳統(tǒng)直流傳動(dòng)逐漸被交流傳動(dòng)所取代，傳統(tǒng)模擬技術(shù)也逐漸被先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)所代替。交流變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中具有十分顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如節(jié)能性、可靠性以及簡(jiǎn)便性等特點(diǎn)，有效改善了傳統(tǒng)直流傳動(dòng)技術(shù)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(shè)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(kāi)以及改變電流頻率。對(duì)于變頻器的控制采用了各種不同的方法，最終獲得的調(diào)節(jié)速度結(jié)果存在著非常明顯的差異。控制方式上主要采用開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。在開(kāi)環(huán)控制中實(shí)施正比例控制電壓和頻率等，在實(shí)施閉環(huán)控制中主要采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。變頻器的運(yùn)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(yùn)行原理是發(fā)揮整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后發(fā)揮逆變器的作用將直流電轉(zhuǎn)向交流電，兩種轉(zhuǎn)化不是固定不變的，而是可以根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整[4]。

2 變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

2.1 電磁設(shè)計(jì)

通常情況下，在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)會(huì)對(duì)過(guò)載能力、功率因數(shù)以及啟動(dòng)性能等性能參數(shù)予以主要考慮。而在變頻電動(dòng)機(jī)中，則不需要考慮啟動(dòng)性能和過(guò)載能力，關(guān)鍵是需要改善非正弦波電源中電動(dòng)機(jī)的適用能力。電磁設(shè)計(jì)方式主要包括以下幾個(gè)方面，首先需要減小定子和轉(zhuǎn)子的電阻，設(shè)計(jì)過(guò)程中適當(dāng)?shù)販p少定子電阻可以適當(dāng)?shù)亟档豌~耗，有助于彌補(bǔ)高次諧波多產(chǎn)生的銅耗，在兩者之間形成互補(bǔ)。其次是增加電感，主要是用于限制電流中所產(chǎn)生的高次諧波，最大程度地降低銅耗。但此過(guò)程中很有可能出現(xiàn)增大轉(zhuǎn)子槽漏抗的現(xiàn)象，也會(huì)因此產(chǎn)生高次諧波銅耗，所以在設(shè)計(jì)電機(jī)漏抗大小的時(shí)候，要對(duì)整體阻抗有良好的適應(yīng)性，保證其合理性[5-8]。最后在變頻電動(dòng)機(jī)中如果主磁路不飽和，那么進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)的時(shí)候需要對(duì)處于不飽和狀態(tài)的主磁路進(jìn)行，充分考慮產(chǎn)生高次諧波之后所造成的磁路飽和問(wèn)題，另外要提升變頻器的輸出電壓，以提高輸出轉(zhuǎn)矩。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)變頻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的時(shí)候需要考慮非正弦波電源產(chǎn)生的影響，因?yàn)槠鋾?huì)不同程度地影響變頻電動(dòng)機(jī)的多個(gè)方面，如振動(dòng)強(qiáng)度、絕緣結(jié)構(gòu)以及噪聲強(qiáng)度等。首先注意絕緣等級(jí)，在絕緣結(jié)構(gòu)的等級(jí)選擇上，通常會(huì)選擇在F級(jí)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(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生噪聲問(wèn)題或者出現(xiàn)振動(dòng)強(qiáng)度問(wèn)題的時(shí)候，就要重視電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其所具備的剛性等，盡量提高電機(jī)頻率，有效避免其與各磁力波之間所產(chǎn)生的共振情況。再次為所采用的冷卻方式，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，通常會(huì)選擇強(qiáng)迫通風(fēng)作為主要冷卻方式，盡量采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于電機(jī)的散熱風(fēng)扇。最后為軸電流，當(dāng)電機(jī)容量高于160 kW時(shí)，針對(duì)軸電流的限制需要盡量采用軸承絕緣措施，避免磁出現(xiàn)路不對(duì)稱的現(xiàn)象。當(dāng)軸電流升高時(shí)會(huì)增加軸承的負(fù)擔(dān)，使用軸承的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生損壞，所以需要應(yīng)用絕緣措施，最大程度地控制軸電流[9,10]。

3 變頻器對(duì)電機(jī)的影響

3.1 電動(dòng)機(jī)的效率和溫升問(wèn)題

無(wú)論是哪一種變頻器，當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電壓，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高次諧波電流，此時(shí)的電機(jī)就會(huì)處于非正弦電壓下，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)損耗。當(dāng)產(chǎn)生高次諧波電流的時(shí)候會(huì)增加電機(jī)中的銅耗和鐵耗等，而轉(zhuǎn)子銅耗現(xiàn)象在其中最為嚴(yán)重。這些耗能現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)的功率下降，運(yùn)行的效率也會(huì)下降。

3.2 電動(dòng)機(jī)絕緣強(qiáng)度問(wèn)題

從當(dāng)前使用的變頻器情況來(lái)看，中小型變頻器居多，載波頻率非常高，可以達(dá)到幾千乃至幾萬(wàn)赫茲。處于電動(dòng)機(jī)的定子繞組中需要承受的電壓非常高，這種電壓沖擊對(duì)電動(dòng)機(jī)而言非常大，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)有非常高的要求。此時(shí)所應(yīng)用的變頻器在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)形成矩形斬波電壓，與電動(dòng)機(jī)的電壓疊加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)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(dòng)

在變頻電動(dòng)機(jī)中，為了保證電磁需要和機(jī)械需要，需要發(fā)揮其散熱的功能。當(dāng)其實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候，往往振動(dòng)非常強(qiáng)烈，而且會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)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(dāng)頻率大體接近或者頻率一致時(shí)，所產(chǎn)生的共振現(xiàn)象會(huì)引發(fā)更大的噪聲。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，速度變化的范圍也會(huì)非常大，而且很難有效分開(kāi)電磁力波和電動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率，噪聲現(xiàn)象及振動(dòng)現(xiàn)象都無(wú)法避免。

3.4 電動(dòng)機(jī)適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的能力

變頻器逆變器電機(jī)啟動(dòng)電源之后處于運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)可在較低的頻率和電壓下啟動(dòng)，此時(shí)沖擊電流非常小，甚至可以忽略不計(jì)。制動(dòng)變頻器的時(shí)候有很多種方法使電機(jī)制動(dòng)的速度加快，電機(jī)要實(shí)現(xiàn)頻繁起動(dòng)和頻繁制動(dòng)其為重要的前提。當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，機(jī)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(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)所需要承受的壓力非常大。

3.5 低轉(zhuǎn)速時(shí)的冷卻問(wèn)題

電機(jī)本身的阻抗效果并不具有理想性。當(dāng)處于低速狀態(tài)的時(shí)候，電源中產(chǎn)生高次諧波，此時(shí)的銅耗也非常高。同時(shí)，當(dāng)電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)候，冷卻風(fēng)量與運(yùn)轉(zhuǎn)速度之間的比例失衡，電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)候是否能夠獲得冷卻效果，或者是否引起發(fā)熱現(xiàn)象都是難以確定的，要有效輸出轉(zhuǎn)矩，難度非常大。

4 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號(hào)。通過(guò)RS485接口，主控計(jì)算機(jī)可以遠(yuǎn)程控制變頻器的啟停，同時(shí)變頻器通過(guò)RS485接口可以將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。變頻器與變頻電機(jī)之間通過(guò)電纜連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，然后液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，再由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)速傳感器的幫助下，變換脈沖信號(hào)后將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳遞給變頻器，在變頻器中就可以讀取風(fēng)機(jī)的具體轉(zhuǎn)速，采用閉環(huán)控制的方法對(duì)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，風(fēng)扇的控制精度可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

5 變頻器控制技術(shù)

5.1 電壓矢量控制

電壓矢量控制通過(guò)讀取定子電流的坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)直角坐標(biāo)對(duì)電機(jī)的三相坐標(biāo)實(shí)施電子電流同步變換。在這項(xiàng)操作中，需要根據(jù)實(shí)際同步改變電流矢量，然后根據(jù)需要改變兩相靜止坐標(biāo)電流。充分考慮直流電機(jī)控制方式的基本要求，了解坐標(biāo)變換的具體規(guī)定，從而充分掌握異步電機(jī)控制的實(shí)際情況。另外，在采用這一方法過(guò)程中需要單獨(dú)控制轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)，并充分考慮兩個(gè)分量實(shí)際情況。在實(shí)際操作時(shí)還需要充分考慮不同參數(shù)所帶來(lái)的不同影響。適量變化本身具有較高的復(fù)雜性，在變換過(guò)程中如果沒(méi)有按照相應(yīng)要求就很難實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。

5.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以有效彌補(bǔ)電壓矢量控制的不足，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)靜態(tài)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究人員逐步進(jìn)行完善，在現(xiàn)階段各種大功率電機(jī)牽引交流傳動(dòng)過(guò)程中逐漸廣泛應(yīng)用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。采用這一技術(shù)可以在定子坐標(biāo)下建立交流電機(jī)的數(shù)字模型，省略了很大一部分的適量變換計(jì)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(xiàn)出較低的輸入功率和較高的諧波電流，這對(duì)電機(jī)容量的要求更高。針對(duì)變頻控制技術(shù)中的這一不足可以有效改進(jìn)矩陣式交流電流控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)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(shí)現(xiàn)了更高的效率。在應(yīng)用這種方法過(guò)程中，擺脫了對(duì)控制電流、磁鏈驅(qū)動(dòng)電機(jī)的依賴，可以對(duì)轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行控制，并且可以更為理想地控制轉(zhuǎn)矩精度。

5.4 變頻電機(jī)的體積小

傳統(tǒng)直流電機(jī)的體積非常大，且處于低效率運(yùn)行狀態(tài)，錯(cuò)誤產(chǎn)生概率也較大，而變頻調(diào)節(jié)速度電機(jī)則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、生產(chǎn)成本低、后期維護(hù)便捷以及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所有的推廣價(jià)值很高。

5.5 節(jié)能效果好

設(shè)計(jì)任何一種機(jī)械設(shè)備的時(shí)候，都會(huì)預(yù)留一部分余量給驅(qū)動(dòng)功能。當(dāng)普通電動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，低速運(yùn)行通過(guò)轉(zhuǎn)矩就可以使電耗增加，導(dǎo)致浪費(fèi)電能。變頻調(diào)節(jié)速度電機(jī)如果對(duì)轉(zhuǎn)矩沒(méi)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(jié) 論

在電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，由于實(shí)際應(yīng)用種會(huì)提出不同的要求，需要對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行有效控制。為了真正控制好電機(jī)的運(yùn)行速度，需要發(fā)揮變頻器的作用，以控制變頻驅(qū)動(dòng)。變頻器可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可以控制電機(jī)，技術(shù)上比較先進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻控制工作，并且可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排作用，目前在變頻電機(jī)中的應(yīng)用也較為廣泛，所取得的成果也較為有效。在現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)控制中，變頻器已經(jīng)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(yīng)用，具有更高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。