交流异步电动机的变频驱动技术

湖南大学 曾广金

湘电集团有限公司 钱明华

0 引言

在晶闸管面世前，电气驱动领域内直流电动机和交流电动机由于原理、结构的不同，一直格守着各自的固有阵地，井水不犯河水。直流传动调速、交流传动不调速是电气行业公认的规律。1958年美国通用电气公司GE总裁在晶体管的基础上发明了晶闸管SCR，又称可控硅，它是最早开发研制成功的开关器件，并且在当年马上进入商业运用，它的发明对电力电子的开创和发展起到了最关键的技术支撑和开拓作用，第一个实用的可控硅器件，反向电压为400V，平均导通电流16A，但是这种变流容量非常有限的电力电子器件却引起了变流器产业如雨后春笋般的飞速发展，最终推翻了电气传动领域中长达百年的调速之王直流电动机的王座，也使在调速驱动中无人过问长达百年的交流电动机以大海磅礴之势问鼎电子科学及其产业。自晶闸管的发明研究成功后，相继出现功率更大、性能更优越的GTO门极关断晶闸管、大功率晶体管GTR、功率MOS场效应晶体管MOSFET，直到最终集各类电力电子器优越性能之大成的绝缘栅双极性晶体管IGBT的出现，各类电子器件竞相涌现的局面才稍稳定下来，人们把更多的精力集中放在改善新型电力电子器件的性能，使其更加稳定，在工程实践中运用出现的保护措施更加完备起来。由于人们的努力和智慧，IGBT的制造技术已完全成熟，它开关速度快、器件工作时损耗小、驱动功率小、安全可靠及电压利用率高等出色的电气性能，强有力地巩固了它在电气驱动工程中的主体地位。虽然各种新型的电力电子器件为交流异步电动机进行调速传动提供了强大的技术基础，但是由于三相交流电动机的运用范围极其广泛，使用数量极其巨大，因此除了地铁有轨电车、轻轨车等领域对调速运行的舒适性要求很高的行业里普遍运用了变频变压驱动外，其他更多领域内生工艺比较固定、无须频繁连续调速运行的驱动系统仍大量的采用传统的接触器、继电器组成的传统有触点电气传动系统。虽然这个传统系统的技术的先进程度无法和变频变压调速系统相比，但是它低廉的成本（仅前者的1/3）优势非常明显；在变频变压调速系统的电力电子器件开关工作时，因其高速通断时产生电磁干扰等新问题也是必须要考虑的问题；同时有触点系统和无触点系统比较起来减轻了保养维护传动系统的技术难度；因此，总体来看采用变频变压驱动控制系统显然远少于传统的有触点传动系统，掌握三相异步交流电动机传统有触点控制方式仍有非常现实的意义，了解学习三相交流电动机传动的基本技术及熟悉其操作维护的方法对生产装置正常发挥出额定的技术功能仍是非常重要。

1 三相交流异步电动机变频变压驱动方法

严格地说无触点控制的说法是不准确的，完全的无触点仅是对VVVF主电路拓扑结构中的电力电子器件组成核心部件——逆变器，才是真正的无触点控制，而在主电路拓扑结构中的少量局部环节仍由触点控制元件在发挥作用，在辅助电路中仍是由触点元件起主要作用，如逆变器发生故障时，将要把逆变器从电路中切出辅助电路，主要由大功率接触器等有触点元件组成，因此把三相交流异步电动机用VVVF控制的新方式和用接触器-继电器控制的传统方式分别称为无触点控制方式和有触点控制的说法是一种相对的分析，不应绝对地理解。

三相交流电动机调速的理论依据为：

式中，n为电动机转速；f1为电动机频率；P为电动机极数；S为转差率（同步电机S=0）。

由此式可看出，三相交流电动机的调整可以有如下三种方法：

1）改变电动机所用电源的频率f1, 是目前通用的VVVF调速系统方法；

2）改变电动机定子绕组的磁极数P，即变极调速，但调速有限；

3）改变电动机的转差率，即转差率调速，因麻烦耗能，很少用；

上文中所提到的调速方法中，方法1）是最有前途的，因为现在电力电子技术的理论问题及实践中的制造工艺的难题均已圆满解决；同时由于使用这种电力电子器件构成的核心部分逆变器具有无间断的连续频率，因此能对控制的交流异步电动机的转速进行无级调速，因此方法1）的调速效果最好，但是由于方法1）需要增加一个变频器来提供频率可变的电力电子装置，该装置价格不菲，同时由于该装置输出的可变频率电源含有大量的畸变谐波，对普通标准系列交流异步电机的绝缘强度使用寿命均会带来不容忽视的严重问题，所以在变频电气驱动装置里必须配备专用变频电机，而这些能由变频器来驱动的变频电机，由于需要在绕组绝缘结构强度、电机构造、通风冷却等方面都作出了重大的有别于普通的三相交流异步电动机的设计改进，使电机的价格大幅度提升，一台同样功率的变频电机的价格是普通三相交流异步电动机的3倍以上，如此高价格的电动机，外加一台价格不菲的变频器，因此是一味追求生产装置的技术先进性还是要兼顾生产装置的成本，显然是任何一个决策者都非常棘手的难题，这也是为什么变频变压调速技术的先进性如此明显，但使用接触器—继电器有触点控制方式仍占据绝对多数的根本原因。至于方法2）因为改变一次极对数才能得到一个电机转速，因此只有在生产装置按工艺流程所需转速在3种以下才有可能使用方法2）来驱动电机。而方法3）如果采用改变电压来调速一起改变电压而转差率的改变不明显，而且还会使电机的最大转矩下降，因此方法3）几乎不使用。

2 三相交流异步电动机变频变压调速的原则及其常用基本数据

由前述的电机转速公式我们了解到方法1）所述调节f1可以改变电动机的转速，但工程实践中发现，我们不但要调速还须满足电动机在电物理和机械方面的要求，电工学中的感应电动势公式和电磁转矩分别为Eg=4.44f1N1KN1φm、Te=CmφmI2’Cosψ，式中N1为电机定子每相绕组串联匝数，KN1为电动机基波绕组系数，φm为电动机气隙中每极合成主磁通；Te为电动机的电磁转矩；CCm为电动机转矩常数；I2’为转子电流折算到定子一侧的电流有效值；Cosψ为转子电路各相的功率因数，因此在改变f1调速时还须顾及电机驱动装置中的其他物理量。为叙述方便，在此再给出异步电动机每相等效电路中每相电压与感应电动势的关系式为：当电动机按前叙1）方法改变f1对电机进行调速时，当f1很小时，感应电动势会下降，而I1Z1却与f1无关；而当f1比较高时，应电动势Eg较高，则关系式中U1=Eg+I1Z1后一项I1Z1，可略不计，即U1≈Eg现三相交流异步电动机调速实践中依据的是E/f=const 、φ=const 即保证电动机的带负载能力恒定必须使变频器输出的电压与频率之比必须为常数。由于电机定子绕组中产生的感应电动势Eg没有办法直接测量，所以人们想出了用U≈Eg的办法来协调电动机的调速运行，至于当f1很小时，使Eg变小导致因φm变小，使电动机带负载能力下降的问题可适当提高该频率下的输出电压，对补偿电动机定子绕组产生的阻抗电压降，f1越低，补偿的电压值就越大，三相交流异步电动机用U/f=const时的恒转矩机械特性和用E/f=const时的严格控制恒转矩机械特性如图1、图2所示。

由于要保证协调好使电动机能正常调速运行，即对变频器要正确输出补偿电压大小的方法进行探讨，现在工程上有的就是根据已有实际工程经验来进行补偿。如当f1为15Hz时电压增加10%，而f1为10Hz时电压增加20%，这种方法当然也能在实践中行得通，但是比较粗糙，下面为避免繁琐的叙述，我们通过一个具体例子来估算补偿的电压值。

图1 U/f为常数时的近似机械特性

图2 E/f=常数的恒定机械特征

计算示例：

一台三相交流异步鼠笼式电动机拟用VVVF变频变压方式对其进行调速运行控制，电机功率为50kW，f1额定频率为50Hz，相电压为380V，相电流为100A，额定转速为n=1450r/min，定子绕组每相Z为0.25Ω，根据加工艺，电机在此加工转速下运行时，电动机的工作频率为10Hz即频率系数Kf为0.2，为简略，在这里把阻抗压降替代电阻压降，因为Kf=0.2，所以电压系数也应该为0.2，由此可求电机在f=50Hz下运行时，电机每相满载运行时，每相绕组的阻抗压降I1Z1=100×0.25=25V；每相定子绕阻的感应电动势En=Ue－I1Z1=380V－25V=355V；则依En/f1=355/50=7.1；Eg=7.1×10=71V；而I1Z1不变仍为25V；当工艺需要电动机工作在f=10Hz时，则电机定子绕组电压为Eg+I1Z1=71+25=96V，可以得出的补偿电压值应为96V－76V=20V电压补偿特性示意如图3所示。

图3 电压补偿示意简图

图3中所示射线2为没有进行电压补偿运行线，图3中的射线1为例题所估算出补偿20V电压射线，它表示电动机调速运行时依V/f=const协调矩运行时，变频器提供给电动机定子绕组的电压。应在给定电压基础上再加上电机运行在10V频率运行时为了保证转矩不下降而补偿的20V电压即电压在本题给出的参数条件下达到96V方能严格按En/f=const要求恒转矩运行。

3 变频器的类别

变频器是为交流电动机提供电压频率均可调节的一种电气装置，它以国家电网提供的恒压恒频交流电作为母电源，将其转变为人们预定大小的电压和预定高低的频率的电源。目前普遍流行的是交—直—交主电路结构，其技术成熟调频范围大使用元件数量少，而为广大用户认可，它的主电路构成示意如图4所示。

图4 交—直—交变频器主电路构成示意图

图4中的整流器是三相的，大多数情况却用功率因数比较高的不可控整流电路，整流器作用就是将交流电整流成直流，由于该整流器是由三相六个不可控二极管组成，在整流的直流电压中含有6倍频率的脉动电压，所以整流器后的中间直流环节由图4可知，这台交—直—交变频器是电压型的交—直—交变频器，该直流环节采用大电容滤波，所以经滤波出来的直流电压波型比较平直，在理想情况下可以将此环节看成是一个内阻为零的恒压源波形，呈矩形或阶段波，实质是6倍频率的整流后的脉动电压及后面的逆变器环节产生的脉动电流也使直流电压产生起伏并经过大电容的吸收，在这类变频器中用大电容还能在整流器及逆变器之间起去耦作用，即清除突电压、还起到储能作用，又称支撑电容，不管叫什么名称，希望就是电容量越大越好，当然受到成本的约束；如果图4中的中间直流环节不是大电容，而是大电感，则这类交－直－交变频器就不是电压型变频器了，而是电流型变频器。

交—直—交变频器是技术最成熟的产品，因图4只是该类变频器主电路的一个示意简图，下面再给出交—直—交变频器具体的主电图如图5所示。

图5 交—直—交变频器主电路拓扑结构

图5所示变频器是典型的用于地铁轻轨车、电车等成熟的驱动技术图，由于地铁轻轨等交通车辆所需动力直流电源都是由直流牵引变电站提供的，所以该图没有整流器部分，所谓PWM变频器说法中的PWM指的是变频器中的逆变器中的逆变电路的开关方式。PWM控制是Pulse Width Modulation即脉冲宽度调制控制的简称，它不同于变频器开关电路控制的PAM控制，是分别对整流电路环节进行控制，在逆变器电路环节对输出频率进行控制的控制方式。PWM控制是整流器环节部分采用不可控方式以提高功率因数，而对逆变器环节的逆变开关同时进行调压和调频进行控制的方式。 PWM控制方式可以减少变频器输出中的高次谐波、输出转矩平稳、控制电路简单及工作可靠，它是变频器中使用最广泛的逆变器开关电路控制方式，图5中的大电容Cd即为图4中的中间直流环节，说明图5所示变频器为电压型变频器大电容在这个变频器中起着滤波和储能的作用，也对逆变器中的VT1～VT6电力电子开关GTR晶体管的工作电压起着支撑作用，以保证电力电子开关器件能可靠工作，所以C大电容也叫支撑电容，它还能使电动机在进行电制动时产生的泵升电压起到缓冲作用以保护GTR电力电子晶体管不被瞬间击穿，VT1～VT6在逆变电路中起续流作用，与其相邻的R、C为VD阻容吸装置，其功能是限制电力电子开关管工作中产生的过高的电压上升率dv/dt对GTR产生的破坏作用。图5中的R7和VT7在电动机发生再生制动时对再生电压进行限制。当再生电压使Ud抬升到设定值时，VT7接受到开通触犯发信号而导通，发电制动产生的泵升能通过制动电阻R7上消耗掉从而避免了电力电子开关管被击穿的可能。理论上说变频器功率越大，支撑电容Cd的容量也越大，并且越大越好，当然也要考虑投资成本及设备是否有充分的安装空间，特别是对地铁轻轨等交通运输车辆这类安装非常紧凑的设备，并且一般还要看散热空间不充分的问题，应周密考虑各种技术方案。

4 轴电压

1）变频器工作时产生轴电压的原因：轴电压是指电动机两端之间或者轴与轴承座之间所产生的电压，它是由于环绕电动机主轴的磁路不平衡所引起的定子磁场不平衡，是由定子铁心因制造时尺寸不对称超差使磁路局部磁阻增大或电子定转子气隙不均匀而造成的，这类不均匀、不对称会因电力电子开关的高速通断从而在电机轴上感应用电动势。变频调速技术发展到今天，至少在中国由变频器供电源的电动机，其轴承必定要配置绝缘轴承，即在轴承内外套圈与钢珠滚道上喷镀一层薄膜层，以切断由轴电压而产生轴电流的流径通道，从而避免因电流腐蚀而导致的轴承过早失效，同时因摩擦及静电积累也是产生轴电压的因素，这时可加装接地电刷消除静电，应该说传统有接点电传动的电动机也产生轴电压，但因含有畸波谐波电源进行电气传动时，比工频电源传动时会产生更大的轴电压，对于中小容量的用工频电源驱动的电动机用滚动轴承支撑电机轴而产生轴电压，一般轴电压值可在300mV，不需处理，而在用变频器提供电源驱动的电机时，一般都要采取防护对策，否则会因当轴承油膜绝缘被破坏，将在轴承表面产生电流痕迹、麻点等电蚀现象，所以我国的VVVF电传动系统中都要采用绝缘轴承，以切断轴电流的通路。

2）由工程实践，当轴电压小于0.3V为正常，轴电压达到0.5～1.0V将产生有害的轴电流，大于2V时，将不能使用。在用PWM逆变器供电的电动机中极严重的情况时产生的轴电压可达20～30V。

5 电力电子器件

1958年美国GE公司发明研制了固态的单向开关，现在60年后回顾电力电子半导体开关的发展历史来看，电力电子学科的创立发展，就是以可控硅的问世为源头使各类电子开关相继问世，促使三相交流异步电动机进入调速革命辉煌顶峰。SCR可控硅、MOSFET功率场效应晶体管、GTO门极可关断晶闸管，直到由集功率场效应晶体管和GTR功率晶体管，集两者长处的绝缘栅双极型晶体管IGBT的出现，几乎霸占了中小型容量的调速系统。只有在大功率高电压变频调速系统中，SCR可控硅及GTO门极可关断晶闸管还占有一席之地，在这些电力电子半导体逐步改进完善的过程中，也伴随着以这些电力电子开关技术支撑的各类变频器从V/f、E/f、矢量型变频器直到直接转矩控制等变频器技术也在从初级到高级，从简单到完善的进化。将变频调速技术不断在地铁、轻轨、高速列车动车及各类工业经济领域各种调速系统中，极大地推动工业技术飞速发展，经济财富的高速积累，集成技术的发展是电力电子和控制技术以一个里程碑式的技术高峰。IGBT绝缘栅双极型晶体管IGBT由于集场控器件和又极型器件低通态压降、电压利用率高的优势使IGBT仍将处在电力电子技术的中心地位。

6 变频电动机绕组绝缘

通常认为电动机运行寿命与电动机绕组的绝缘材料的寿命有极大关系，特别是由变频变压电压驱动的三相交流异步电机，甚至可以将其运行寿命和绝缘材料本身寿命画上等号。绝缘材料多年使用后受电机运行的温升的影响及电晕放电，加上电动机启动及工作中的电磁力振动力的影响，使绝缘材料受到机械应力影响，产生疲劳破坏，导致绝缘劣化。而当三相交流异步电动机用于变频器供电的调整系统中时，电动机的绕组绝缘材料的有效寿命更是缩短，在前文已提到变频器提供的电源和国家电网提供的工频电源不一样，前者提供的电源中含有大量的高次谐波，这种电源将使电机的运行温升比在工频电源下运行的电动机运行温度要高约20%，而从事电工行业的人都了解热量对绝缘材料有效寿命有巨大的杀伤力，即温度每升高10℃，绝缘材料寿命低一半。可见在变频器提供的变频变压电源下，电动机的寿命更是不容忽略，要采取一些对策，如用于变频调速运行下的变频电机的绕组内部埋设温度传感器，以便对运行中变频电动机的运行温升时刻都要处在严格控制之中；再针对变频电动机在f1很低时冷却效果恶化的现象，变频传动调速的电动机使用的绝缘材料比普通电机所用的绝缘材料要贵几十倍，这也是造成变频电机成本远高于一般传统电机的主要原因。

7 结束语

由全文所述，交流电动机进入调速传动领域以来，从三相交流异步电动机的优异性能及工程实际来看是令人满意的，但是一个调速系统是否可行，需要考虑的问题很多，由于三相交流异步电动机所用的电源不是国家市电提供的标准50Hz工频电源，而是由变频提供的非标准性工频电源，这个变频器是一个须多投资的一笔费用，特别是变频电机价格远比交流电动机价格高几倍，因此变频调速系统的高昂价格是用户需要慎重考虑，生产领域中根据生产工艺流程来看，使用普通三相交流电动机还是能胜任的并非一定要最先进的调速系统，才能满足生产需要。用户应周全考虑既便宜又能满足生产工艺要求，无须不计成本地一味追求最先进技术。