变频器对变频电机的驱动控制研究

张庆迎

（辽宁丰田金杯技师学院，辽宁 沈阳110101）

国内电子技术、计算机技术以及自动化技术都在不断发展，驱动控制技术逐渐占据工业控制的主要地位。从目前的电气行业发展来看，电气的传动技术也正在变革，交流传动渐渐取代了直流传动，计算机信息技术也在逐渐取代模拟技术。交流变频驱动技术因为其本身节能、可靠、简便的特点被应用在电机驱动控制中，改变了传统直流传动技术效率低、体积大的缺点。

1 变频器工作原理

变频器是由多种电力电子器件组成的一种设备，电力电子器件的功能是在电路中进行通断以及变流的器件。变频器的核心作用就是变流。变频器通过不同的控制方法所得到的调速结果也是不同的。控制方式可分为开环控制和闭环控制，开环控制中，电压和频率成正比例控制，闭环控制中又分为转差频率以及矢量的控制。变频器运行时电路有交流- 交流变频以及交流- 直流- 交流变频两种，其工作原理为用整流器将交流电变为直流电，用逆变器将直流电变为交流电，相互之间可调。

2 变频电动机的特点

2.1 电磁设计。一般的电动机设计时都会考虑到的性能参数主要有过载能力、启动性能、功率因数等。变频电动机则不需要过多考虑过载能力以及启动性能，关键问题在于改善电动机对于非正弦波电源的适用能力。其电磁设计方式如下：（1）减小定子和转子电阻。设计中减小定子电阻能够在一定程度上降低铜耗，从而弥补高次谐波产生的铜耗，起到一个互补的作用。（2）增加电感。为了限制电流中高次谐波的产生，减少铜耗，可以适当增加电机的电感。但是可能会导致转子槽漏抗增大，一样会产生高次谐波的铜耗，所以在设计电机的漏抗大小时要顾及到整体阻抗的适应合理性。（3）主磁路不饱和。变频电动机的电磁在设计时主磁路一般会设计成不饱和状态，一方面考虑到高次谐波的产生会增加磁路饱和，另一方面也是为了能够提高变频器的输出电压从而提高输出转矩。

2.2 结构设计。变频电动机的结构设计需要考虑到非正弦波电源对变频电动机的绝缘结构、振动强度以及噪声强度等方面的影响，以下问题需要注意：（1）绝缘等级。绝缘结构的等级通常为F 级或以上，尤其要注意到绝缘体对电压冲击的承受能力。（2）刚性。关于电动机的噪声以及振动强度等问题，要注意电动机结构的构件以及其刚性，尽量提高电机频率，以免发生与各磁力波共振的情况。（3）冷却方式。电动机运行的冷却方式要选择强迫通风，电机的散热风扇尽量用独立的电机驱动器。（4）轴电流。如果电机的容量超出了160 千瓦就要采用轴承绝缘措施限制轴电流，防止磁路的不对称，如果轴电流加大，会对轴承产生很大的负担，损坏轴承使用，因此有必要用绝缘措施阻止轴电流的产生。

3 变频器对电机的影响

3.1 电动机的效率和温升的问题。无论是哪一种变频器在运行时都会产生不同强度的高次谐波电流和电压，这种情况下，电机处于非正弦电压下，对电机都有一些损耗。产生的高次谐波电流会增加电机中铜耗、铁耗等耗能，其中最大的是转子铜耗。这些损耗都会促使电动机发热，降低电动机的使用效率和功率。

3.2 电动机绝缘强度问题。目前的变频器中，中小型的变频器的载波频率已经可以达到几千甚至几万赫，电动机的定子绕组承受的电压非常高，对电动机也有很大的电压冲击，对电动机的绝缘结构要求更高。而且，目前使用的变频器形成的矩形斩波电压与电动机本身的电压叠加在一起，对电动机的绝缘结构造成更大的压力，加速了绝缘部件的老化程度。

3.3 谐波电磁噪声与振动。变频电动机由于电磁、机械以及散热等因素的需要，在运行时所产生的振动和噪声的强度会更强。变频电源中的各种谐波之间会相互交涉，当频率一致或大体接近的时候，会产生共振的现象，噪声也随之加大。因为电动机的运行速度变化范围比较大，电磁力波与电动机振动频率很难分开，噪声和振动产生的声音都无法避免。

3.4 电动机对频繁启动、制动的适应能力。使用变频器电机供电之后，电动机能够在较低的频率和电压之下启动，没有冲击电流产生或者冲击电流比较少，而且变频器具有多种制动方式，能够帮助电机迅速制动，是实现电机频繁启动和制动的前提条件。电动机的机械部分和电磁部分共同作用之下，也会给电动机的绝缘结构带来更大的压力。

3.5 低转速时的冷却问题。电动机的阻抗效果并不理想，在转速较低的时候，电源中产生的高次谐波引起的铜耗大。而且，电机在低转速的状态下，冷却风量与转速不成比例，电动机在低速时冷却效果不好，温度反而升高，转矩难以输出。

4 变频电机驱动控制系统的工作原理

变频器通过RS485 接口接收主控系统的命令，如风扇转速信号，主控计算机可以通过RS485 接口远程启动和停止变频器，变频器通过RS485 接口将转速等信号反馈传输给主控计算机系统。变频器通过电缆与变频电机连接，电机驱动液压泵，液压泵驱动液压马达，液压马达驱动风扇旋转，风扇转速通过转速传感器发出脉冲信号变换后传给变频器，变频器通过读取风扇实际转速，对风扇的转速进行闭环控制。风扇转速在0r/min～5500r/min 时，控制精度为±5r/min，风扇的最高转速为5500r/min，同时，风扇的控制精度可以根据实际情况做相应的调整。

5 变频器控制技术

5.1 电压矢量控制。通过读定子电流就那些坐标变换来达到电压的矢量控制时，要将电机三相坐标按照直角坐标进行定子电流同步变换。在进行变换时要将电流矢量根据要求进行静止坐标下的同步变换，然后将两相静止坐标的电流根据要求进行变换。在变换的过程中要考虑到直流电机的控制方式的基本要求，也要熟知坐标逆变的具体规范，才能更好的掌握异步电动机的控制量的实际情况。另外在进行该方法的时候，要对转速和磁场进行单独的控制，要根据两个分量的具体情况而定。但是在实际操作过程中还要考虑各种参数不同带来的不同影响，因为矢量变化本身就很复杂，如果不能够按照要求进行变换，就很难到的预期效果。

5.2 直接转矩控制。直接转矩控制技术能够弥补电压矢量控制中存在的短处，而且优点在于结构较为简单，动静态性能强。经过研究人员对其不断的完善，直接转矩技术已经被应用到大功率电机牵引交流传动中。直接转矩可以在定子坐标下建立交流电机的数字模型，省去了很大一部分的矢量变换计算步骤，发展前景更为广阔。

5.3 矩阵式交- 交控制。变频器电路中的交流- 直流- 交流变频控制方式的输入功率较低，高谐波电流大，对于电机的容量要求高，而变频控制技术中的矩阵式交流- 交流控制技术可以改善这些缺点，实现能源在电网中的循环反馈。而矩阵式的控制方式将其中的直流变流环节省去，降低了成本，提高了效率。这种方法不需要通过控制电流以及磁链驱动电机，可直接控制转矩，对转矩的精度有更高的控制。

6 变频调速方式的技术优势

6.1 实现了无级调速。因为变频电机使用的变频器能够控制电机的调速方式，原理上可以运行任何一种转速，调速时具有很好的平滑性，精度也相对高一些。当电机处于低速运转时，能够输出较大的转矩，这可以缩短电机启动时的响应时间，提高电机的启动速度。

6.2 启动时需要的电流较小。电机在启动时会产生较大的电流和振动，对电机的性能是有一定的损耗的。相比于直流电机使用时产生较大的启动电流冲击电网来说，变频调速对电网的冲击性小，节能效果强，对电网的容量大小要求没那么严格，能够延长电机设备的使用年限。

6.3 变频电机的体积小。传统直流电机体积非常大，而且运行效率不高，容易产生错误，变频调速电机的体积小很多，而且结构简单，生产成本低，后期维护使用更加方便，具有更大的推广价值。

6.4 节能效果好。基本上所有的机械设备在设计时都会对驱动功能留出一部分富余量。普通电机在低速运行时，多余的转矩会加大消耗功率，浪费电能，变频调速电机转矩要求小的同时也会较小输出的功率，电能利用更加充分，避免能源的浪费。

综上所述，因为电机运行需求不同，电机的运行速度需要得到有效的控制，而想要实现对电机运行速度的良好控制，就需要应用变频器进行变频驱动控制。变频器在电机的驱动控制中有着重要的作用，变频器是一种较为先进的设备，因为能够对电机进行变频控制，而且还能节约能耗，所以被普遍应用，并且也取得了有效的成果。目前，变频器已经成为工业生产控制的一种重要工具，发展速度快，应用广，具有很强的应用价值，值得推广。