探究变频器对变频电机的驱动控制

杨钰函

（中南大学，湖南 长沙 410000）

0 引 言

现阶段，我国各种先进技术涌现，发展速度快且普及面广的包括计算机技术、自动化技术以及电子技术等，而驱动控制技术在工业控制领域中逐渐成为主导。通过分析现阶段电气行业发展情况，我国在电气传动方面正在实施改革，传统直流传动逐渐被交流传动所取代，传统模拟技术也逐渐被先进的计算机信息技术所代替。交流变频驱动技术在电机驱动控制中具有十分显著的应用优势，如节能性、可靠性以及简便性等特点，有效改善了传统直流传动技术体积大和效率低等方面的不足[1-3]。

1 变频器工作原理

变频器设备中集合了多种电力电子器件，其所发挥的主要功能是电路的接通和断开以及改变电流频率。对于变频器的控制采用了各种不同的方法，最终获得的调节速度结果存在着非常明显的差异。控制方式上主要采用开环控制和闭环控制两种方式。在开环控制中实施正比例控制电压和频率等，在实施闭环控制中主要采用转差频率控制方式。变频器的运行方式主要分为交流-交流变频和交流-直流-交流变频两种，主要的运行原理是发挥整流器的作用将交流电转化为直流电，然后发挥逆变器的作用将直流电转向交流电，两种转化不是固定不变的，而是可以根据实际需要灵活调整[4]。

2 变频电动机的特点

2.1 电磁设计

通常情况下，在设计电动机时会对过载能力、功率因数以及启动性能等性能参数予以主要考虑。而在变频电动机中，则不需要考虑启动性能和过载能力，关键是需要改善非正弦波电源中电动机的适用能力。电磁设计方式主要包括以下几个方面，首先需要减小定子和转子的电阻，设计过程中适当地减少定子电阻可以适当地降低铜耗，有助于弥补高次谐波多产生的铜耗，在两者之间形成互补。其次是增加电感，主要是用于限制电流中所产生的高次谐波，最大程度地降低铜耗。但此过程中很有可能出现增大转子槽漏抗的现象，也会因此产生高次谐波铜耗，所以在设计电机漏抗大小的时候，要对整体阻抗有良好的适应性，保证其合理性[5-8]。最后在变频电动机中如果主磁路不饱和，那么进行电磁设计的时候需要对处于不饱和状态的主磁路进行，充分考虑产生高次谐波之后所造成的磁路饱和问题，另外要提升变频器的输出电压，以提高输出转矩。

2.2 结构设计

在设计变频电动机结构的时候需要考虑非正弦波电源产生的影响，因为其会不同程度地影响变频电动机的多个方面，如振动强度、绝缘结构以及噪声强度等。首先注意绝缘等级，在绝缘结构的等级选择上，通常会选择在F级或者以上，其中需要格外注意电压冲击下绝缘体所能够承受的能力。其次为刚性，当电动机运行的过程中产生噪声问题或者出现振动强度问题的时候，就要重视电动机的结构构件及其所具备的刚性等，尽量提高电机频率，有效避免其与各磁力波之间所产生的共振情况。再次为所采用的冷却方式，当电动机处于运行状态的时候，通常会选择强迫通风作为主要冷却方式，尽量采用独立电机驱动器用于电机的散热风扇。最后为轴电流，当电机容量高于160 kW时，针对轴电流的限制需要尽量采用轴承绝缘措施，避免磁出现路不对称的现象。当轴电流升高时会增加轴承的负担，使用轴承的时候会产生损坏，所以需要应用绝缘措施，最大程度地控制轴电流[9,10]。

3 变频器对电机的影响

3.1 电动机的效率和温升问题

无论是哪一种变频器，当处于运行状态的时候都会产生不同强度的电压，同时还会产生高次谐波电流，此时的电机就会处于非正弦电压下，导致电机出现损耗。当产生高次谐波电流的时候会增加电机中的铜耗和铁耗等，而转子铜耗现象在其中最为严重。这些耗能现象的产生会使电动机出现发热现象，造成电动机的功率下降，运行的效率也会下降。

3.2 电动机绝缘强度问题

从当前使用的变频器情况来看，中小型变频器居多，载波频率非常高，可以达到几千乃至几万赫兹。处于电动机的定子绕组中需要承受的电压非常高，这种电压冲击对电动机而言非常大，因此对电动机绝缘结构有非常高的要求。此时所应用的变频器在运行的过程中会形成矩形斩波电压，与电动机的电压叠加，导致电动机的绝缘结构所需要承受的电压冲击更大，由此加快了绝缘部件的老化速度。

3.3 谐波电磁噪声与振动

在变频电动机中，为了保证电磁需要和机械需要，需要发挥其散热的功能。当其实际运行的时候，往往振动非常强烈，而且会产生很强的噪声。在变频电源中，各种谐波都不是孤立存在的，而是相互干涉。当频率大体接近或者频率一致时，所产生的共振现象会引发更大的噪声。当电动机处于运行状态的时候，速度变化的范围也会非常大，而且很难有效分开电磁力波和电动机振动频率，噪声现象及振动现象都无法避免。

3.4 电动机适应频繁启动、制动的能力

变频器逆变器电机启动电源之后处于运行状态，电机可在较低的频率和电压下启动，此时冲击电流非常小，甚至可以忽略不计。制动变频器的时候有很多种方法使电机制动的速度加快，电机要实现频繁起动和频繁制动其为重要的前提。当电机处于运行状态的时候，机械部分所发挥的作用与电磁部分所发挥的作用相同，电机的绝缘结构所需要承受的压力非常大。

3.5 低转速时的冷却问题

电机本身的阻抗效果并不具有理想性。当处于低速状态的时候，电源中产生高次谐波，此时的铜耗也非常高。同时，当电机处于低速运转状态的时候，冷却风量与运转速度之间的比例失衡，电机处于低速运转状态的时候是否能够获得冷却效果，或者是否引起发热现象都是难以确定的，要有效输出转矩，难度非常大。

4 变频电机驱动控制系统的工作原理

变频器采用RS485接口接收主控系统的指令，其中之一就是风扇转速信号。通过RS485接口，主控计算机可以远程控制变频器的启停，同时变频器通过RS485接口可以将转速信号反馈给主控计算机系统。变频器与变频电机之间通过电缆连接，电机驱动液压泵，然后液压泵驱动液压马达，再由液压马达驱动风扇旋转。在转速传感器的帮助下，变换脉冲信号后将风机转速传递给变频器，在变频器中就可以读取风机的具体转速，采用闭环控制的方法对风扇运转速度进行调节，风扇的控制精度可根据实际情况进行调整。

5 变频器控制技术

5.1 电压矢量控制

电压矢量控制通过读取定子电流的坐标变换实现，需要根据直角坐标对电机的三相坐标实施电子电流同步变换。在这项操作中，需要根据实际同步改变电流矢量，然后根据需要改变两相静止坐标电流。充分考虑直流电机控制方式的基本要求，了解坐标变换的具体规定，从而充分掌握异步电机控制的实际情况。另外，在采用这一方法过程中需要单独控制转速和磁场，并充分考虑两个分量实际情况。在实际操作时还需要充分考虑不同参数所带来的不同影响。适量变化本身具有较高的复杂性，在变换过程中如果没有按照相应要求就很难实现预期的效果。

5.2 直接转矩控制

直接转矩控制技术可以有效弥补电压矢量控制的不足，具有结构简单和动静态强的优点。经过相关研究人员逐步进行完善，在现阶段各种大功率电机牵引交流传动过程中逐渐广泛应用了直接转矩控制技术。采用这一技术可以在定子坐标下建立交流电机的数字模型，省略了很大一部分的适量变换计算步骤，发展前景更加广阔。

5.3 矩阵式交流电控制

在变频电路中，交-直-交变频控制通常表现出较低的输入功率和较高的谐波电流，这对电机容量的要求更高。针对变频控制技术中的这一不足可以有效改进矩阵式交流电流控制技术，实现电网的能量循环反馈。矩阵控制方法可以直接消除直流换流环节，从而有效控制成本，并且实现了更高的效率。在应用这种方法过程中，摆脱了对控制电流、磁链驱动电机的依赖，可以对转矩直接进行控制，并且可以更为理想地控制转矩精度。

5.4 变频电机的体积小

传统直流电机的体积非常大，且处于低效率运行状态，错误产生概率也较大，而变频调节速度电机则具有结构简单、体积小、生产成本低、后期维护便捷以及操作简单等优点，所有的推广价值很高。

5.5 节能效果好

设计任何一种机械设备的时候，都会预留一部分余量给驱动功能。当普通电动机处于运行状态的时候，低速运行通过转矩就可以使电耗增加，导致浪费电能。变频调节速度电机如果对转矩没有很高的要求，那么在输出功率很小的情况下可以充分利用电能，以节约能源。

6 结 论

在电机处于运行状态的时候，由于实际应用种会提出不同的要求，需要对电机的运行速度进行有效控制。为了真正控制好电机的运行速度，需要发挥变频器的作用，以控制变频驱动。变频器可以驱动电机也可以控制电机，技术上比较先进，可以实现对电机的变频控制工作，并且可以实现节能减排作用，目前在变频电机中的应用也较为广泛，所取得的成果也较为有效。在现阶段工业生产控制中，变频器已经成为了一种重要的工具，发展速度显著提升并且得到了更为广泛的应用，具有更高的推广和应用价值。