变频器拖动异步电机调速实验

王春凤, 薛文轩

(清华大学 自动化系，北京 100084)

“电力拖动系统”是高校自动化专业、电气自动化专业开设的核心专业课程[1]。近年来，随着变频技术的迅速发展，交流变频器以其很好的调速、节能性能而备受青睐[2-3]。开发交流电机变频调速实验技术和实验方法，用前沿技术的科研成果拓展丰富的实验内容，设计多层次、多类型实验教学模式，通过增加师生互动，激发学生对实验的兴趣，对提高学生思考问题、解决实际问题的能力，提升学生的创新意识，具有重要意义。

1 系统组成

变频器拖动异步电机调速系统主要由交流变频器、三相交流异步电机(以下简称交流异步电机)、直流发电机和测速电机组成，如图1所示。变频器由整流器、二极管、直流母线电容、三相逆变桥等部分组成。变频器的输入端接220V/50Hz的电网，输出端接交流异步电机。作为负载的直流发电机的励磁回路以及电枢回路接线图如图2所示[4]。

图1 系统构成框图

图2 直流发电机系统接线图

2 实验内容设计

(1) 富士电机的变频器(型号FRENIC-Multi)的基本功能的学习和设定。

(2) 观测典型U/f曲线(基础型)。

(3) 测量交流电机的机械特性曲线(基础型)。

(4) 变频器低频转矩提升实验(基础型)。

(5) 变频器输入、输出电流的测试与分析(研究型)。

(6) 正弦波脉宽调制(SPWM)电压的测试与分析(研究型)。

(7) 不同转矩提升功能条件下的U/f曲线的测定(综合设计型)。

(8) 变频器的多段速控制功能实现(综合设计型)。

3 实验设计的特色和实验结果

3.1 测定交流异步电机的机械特性

交流异步电机稳定运行时，电磁转矩Te与负载转矩相同。以直流发电机+可变电阻作为交流电机的负载，忽略机械摩擦转矩，直流发电机的电磁转矩(可用电枢电流代替)近似于交流异步电机的负载转矩；直流发电机的电枢电流正比于系统的转速，所以这种负载既能较准确地反映电机的工作特性，而且其安全性较好(当然这种负载与实际工程中所用负载有差距)。因此，直流发电机电枢电流Ia与电机转速n的关系曲线可以粗略反映交流异步电机的机械特性曲线[5-6]。

交流异步电机固有机械特性不是一条直线，是跨越3个象限的曲线。图3为第一象限部分的示意图，图中C点称为最大转矩点[1]。

图3 交流异步电机机械特性曲线(第一象限)

对于学生的基本要求是测量图3中AC段中近似直线部分，鼓励有兴趣的学生测量最大转矩点C点附近曲线。但是，在实际运行过程中，C点附近的工作特性的测定有很大的难度。实际测量时，除了均匀调节滑动变阻器(即减小电阻，增大直流发电机电枢电流)，更要密切监测直流发电机电枢电流、交流异步电机电流以及电机转速，不能超过额定值。另外，注意在负载较大的情况下工作时间不宜过长，以防电阻发热导致实验测量不准确。

思考题中要求将U/f控制下的交流异步电机机械特性与直流发电机的特性进行对比，讨论有何异同[7]。在实验过程中，不仅让学生理解了交流异步电机的工作特性，还培养了学生严谨细致的工作态度，加强了对实验动手能力和实验技能以及严肃认真和实事求是的科学作风的培养。根据实验结果，画出的交流异步电机机械特性曲线见图4。

图4 实验测出的交流异步电机机械特性曲线

3.2 提取并改善变频器输出电压波形

变频器输出的SPWM电压波形含有大量的高次谐波，而电机转矩主要依赖于基波电压有效值。在SPWM变频器-交流电机系统中接入滤波器，可以有效提取基波电压。在实测基波周期内变频器输出电压波形的基础上，通过分析和研究与接入的RC滤波器参数关系，研究RC滤波器的参数对输出大小和波形的影响，确定滤波器参数的选择范围[8]。

3.3 研究变频器输入和输出电流波形

变频器输入的有功功率与输出的有功功率应该相等。变频器的输入端为频率50Hz的220V交流电压，变频器的输入电流中没有无功电流分量，而在变频器输出端，由于电容上存在无功电流，当变频器运行于基频以下的时候，实验采用恒压频比控制方式，即U/f为常数，这种情况下，变频器的输出电压小于输入电压，所以，在基频以下运行的时候，变频器的输出电流幅值大于输入电流幅值。

通过提取变频器的输入及输出电流波形，启发学生应用能量守恒定律解释分析输入电流小于输出电流的原因，以及应用SPWM控制技术解释电流畸形产生的原因。

3.4 用科研成果和工程问题拓展实验教学内容

近年来，关于电动汽车和风力发电机组的转矩特性的研究有了突破性的成果[9]。这些负载转矩特性不同于恒功率负载和恒转矩负载特性，呈二次方递减特性。在基础型实验内容中，设置典型的U/f曲线测定；在综合设计型实验中增加二次方递减转矩特性的内容，开阔了学生的眼界，而且培养学生实际工程的意识。

3.5 用多层次和多类型的实验教学增强师生互动

除了注重实验技术的现代化和前沿化，我们还注重将最新的实验设计方法、数据处理方法、测量标准等引入实验教学。实验类型有基础型、研究型和综合设计型。让学生观测变频器输入、输出电流波形，输出电流大于输入电流的现象引起了学生的极大兴趣；交流变频器的高级功能的实验，不同于实验指导书，给出的是实验任务书，让学生自主设计实验步骤，通过师生互动，反复实践，实现学生自己的创意，学生从中发现自己的兴趣所在；实验数据处理方法可以采用Matlab、c语言等多种应用软件，深入分析实验现象。实验数据的测量方法也是培养学生严谨的科学作风的重要手段，例如，我们鼓励学生分别用万用表和有效值表测量变频器输出电压值，通过分析实验数据的差异的原因，不仅掌握实验仪器的工作原理和实验方法，更重要的是深刻领会了变频器的工作原理及应用问题。

整个实验需要学生在掌握电机的基本工作原理、变频器工作原理及其电机动静态特性的基础上，把握运动控制所描述的电机与负载的关系，认识典型的负载机械特性。这样可以使学生融会贯通地学习自动化专业中如控制系统分析与控制方法设计等。

4 结束语

实验应用于清华大学本科生专业核心课程“电力拖动与运动控制”的课程实验和清华大学本科生的“运动控制专题实验”，提高了交流电机以及变频器实验的技术水平，丰富了实验教学内容，能满足培养高水平自动化专业人才的需要。

配合现有“电力电子与运动控制”实验教学平台，还可以与自动化系本科生专业核心课程“电力电子技术基础”的课程实验“正弦逆变实验”的部分内容相结合而构成选做实验[10]，满足有兴趣、希望对“正弦逆变实验”做更广泛和深入研究的学生要求。

[1] 杨耕,罗应立. 电机与运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] 徐惠琴.变频器调速原理及运行过程中存在的问题和解决方法[J].机械管理开发,2011(1):63-65.

[3] 程峻祥.交流电机变频器调速的控制及应用[J].科技信息,2007(23):99,114.

[4] 程勇.用单片机变频器控制电动机调速实验的探索[J].实验室研究与探索,2004,23(10):69-70,86.

[5] 刘洪鑫.变频器负载试验的几种方法[J].变频器世界,2005(4):12-14.

[6] 杨耕，王春凤，薛文轩. 电力拖动系统课程中运动方程内容的教学实践[J].电气电子教学学报，2010,32(2)：91-94,116.

[7] 王春凤,李旭春,薛文轩.PWM直流调速系统实验的教学实践[J].实验室研究与探索,2012,31(8):32-34,49.

[8] 徐志,田志勇,李华.变频器谐波危害分析[J].产业与科技论坛,2010，9(11)：100,103.

[9] 耿华,杨耕. 变速变桨距风电系统的功率水平控制[J]. 中国电机工程学报,2008,28(25)：130-137.

[10] 王春凤,李旭春,薛文轩，等. 正弦波逆变电路实验的设计与实践[J]. 实验技术与管理,2010,27(8)：135-138.