浅析变频器对变频电机的驱动控制

摘要：当前人类面临的世纪性难题便是资源、能源短缺的问题。我国“十五”计划提出了提高能源利用效率的目标．慢慢实现电动机、泵类设备的经济运行就是其中的一项重要措施，发展电力电子节电技术和交流电机调速技术。以较低的能耗和较大的节能量来支持国民经济快速、健康、持续发展。

关键词：变速器原理交流电机 变频器控制调速系统

中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：

最近20年来发展起来的一门新技术便是变频调速技术，它利用电机转速和电源频率是线性关系的原理，并跟随着PWM的控制技术的逐渐成熟和电力电子技术的日益发展而逐渐壮大的，将5OHz的交流电通过整流和逆变转换为频率可调的电源。供给异步电动机，实现调速的目的。利用单片机组成的变频调速控制器可以实现从低频起动到 5OHz，便由此消除以往工频 5OHz 直接起动对电机的冲击，延长了电机的寿命。与此同时，变频器的输出电压因为可以自己适应并调节，使负载电机可以工作在额定电压以下，不仅节能且可延长电机的使用寿命。变频器采用恒磁通控制原理，输出正弦波电压，可用一系列频率可调的正弦脉冲波来等效，即只要对应时间间隔内的矩形脉冲的面积与正弦波和横轴包含的面积相等，系列矩形脉冲就可等效正弦波。通常将相同极性的正弦波基准信号与等幅等距的三角波比较便由此形成了脉冲控制信号，二者的交点为开关器件的换流点，从而形成 SPWM 脉冲列。

1 变频器的工作原理

我们知道 , 交流电动机的异步转速表达式为 :n ＝ 60 f(1 － s)/p 式中 :n 为异步电动机的转速 ;

f 为异步电动机的频率 ;

s 为电动机转差率 ;

p 为电动机极对数。

由式 (1) 可知 , 转速 n 与频率 f 成正比,只要改变频率 f即可改变电动机的转速,当频率 f 在 0 ～ 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器是一种高效率、高性能的理想的调速手段，它的速度调节是通过改变电动机电源频率实现的 。

2 变频器控制方式

SPWM 控制脉冲列的控制电路就是变频器的核心。目前来看，实现控制电路主要有3 种方法 :1. 模拟调制器法。该方法由正弦调制波发生电路、三角载波发生电路和模拟电压比较器三部分组成。此种电路复杂、分散性大、可靠性较差。2. 专用芯片法。例如德国西门子公司的 SLE452O 等。该方法电路集成度高、可靠性也较高，缺点是无法实现对调速系统的反馈控制、监视管理和保护工作。3. 微机生成法。此方法要考虑指令功能、存储容量、运算速度是否会影响实时性。一般都是电压源型的，采用大电容滤波。

变频输出电压为 380 ～ 650V 输出功率为0.75 ～ 400kW、工作频率为 0 ～ 400Hz是低压通用, 它采用交―直―交电路为主电路。其控制方式经历了几代革新。正弦脉宽调制 (SPWM) 控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低 , 机械特性硬度也较好 , 能够满足一般传动的平滑调速要求 , 更在各个产业领域得到广泛应用。 但是, 此控制方法在低频的时候, 因为输出电压较低 ,定子电阻压降对转矩的影响比较显著, 因此便使输出最大转矩减小。机械系统性能低，而且控制曲线会随负载的变化而改变动态性能和静态调速都不尽如人意，导致电机转矩利用率不高，进而使定子电阻的效应的性能下降，稳定性变差，所以人们就着这些缺点有研究出矢量控制变频调速。

通常，变频器有三种控制方法 : 恒压频比控制方式; 矢量控制方式; 直接转矩控制方式。通用变频器一般都采用恒压频比的正弦波脉宽调制（SPWM）技术。SPWM 是在脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也是最大的，而脉冲间隔则最小，反之亦成立，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。

首先，PWM 波调制原理 :用正弦波作为期望波形的同时用稳定的等腰三角形作为载波，而调制波则是以期望和频率相同时的正弦波来充当，当两波相交时，由于开关的通断，进一步就会获得等幅不等宽的矩形波。按照波形原则，当矩形波与正弦波面积相等时，这个矩形波与正弦波就是等效的。这种方法就是SPWM即正弦波脉宽调制，而此种序列的矩形波称为M波。

其次，通用变频器采用的恒压频比正弦波脉宽调制 SPWM 控制方式。如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的 SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。这种控制方法的工作特点是在每半个周期内 ，同一桥臂的两个不同的逆变器之中，只有一个器件会按照规律时断时通，而另一个则会完全停止工作，另外，在另一个半个周期里，逆变器中的两个器件的工作情况则刚好相反，这样就会产生交替的交变电流了，即俗话说的交流电。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则 SPWM 波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。双极性调制的工作特点 : 逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。

3、变频电机的发展

在20世纪70年代以前，几乎所有地方全部采用直流电动机，但是他从制造工艺到维修维护的工艺都十分繁琐，所以人们还是愿意在工农业生产中应用另一种应用更为广泛的电动机，这种交流电动机被称为异步电动机。异步电动机也是从工农业中首先发展起来的，但是由于本身存在调速性差，功率低等缺点，在半导体器物迅猛发展的时代，开发者又在其基础上加以改进，开发出了变频器件，使变频技术控制转速的这一技术又得以提高，从而很好地解决了异步电动机调速的这一难题，并在以后的时间里得到了更广泛的应用和推广。

4、变频调速技术的应用

某煤厂安装了4台电磁调速叶轮给煤机，控制电磁离合器励磁电流强度，调节离合器输出轴转速．控制给煤量。由于这种调节方式的自然机械特性很软。在系统中引入了测速装置，以获得速度负反馈而改善过软的机械特性。但由于测速不稳和现场随机性操作事件多变。常常出现控制失灵和过热损坏器件的现象，影响正常的选煤生产．必须进行改造。

Y系列交流异步电机的主要特点是主电机型号Y180―4，输出功率18．5 kW。改造方法是拆除离合器励磁线圈、电磁调速装置、测速装置，电气部分则仅仅保留主电机和行走电机；采用直接联接；把变频器安装到主电机供电回路中。各种保护功能趋于完善，频率调整范围0．2―400 Hz，转矩提升为0～10％，v／f控制方式。检查连线正确无误后，根据系统功能要求设定好变频器数据．一次成功。在本例中，利用开环胜制方式，外部调整是频率的采用方法。此时系统启动平稳，调速性能平滑准确，整体性能也较原来大幅提高，运行安全，完全达到预期效果。

5 变频器技术发展态势

如今变频器的发展已经朝高性能、模块化、专用化发展。

高性能即前几年国产高压变频器可靠性还都不是很高，今天已研制出同国外品牌性能相差不大的变频器。厂家也大多都在追高可靠性、高转矩、高精度的通用变频器。

模块化即高性能的电动机驱动模块通用变频器+功能模块+专用模块。特殊功能和需求，不必加许多器件，仅插入一个功能卡或专用卡，简单易行、成本低。

专用化，国外的变频器早已有许多专用型的，但价格昂贵，近20年来国人对变频器应用的一大贡献就是把通用变频器通过一些智能控制单元．廉价地用到转炉、起重机、机床、纺丝机、造纸生产线、印染设备及高架旅运车上。近年又出现了专用变频器，如注塑机和抽油机专用变频系统等，这些都是国外没有的，我国填补了国际上的空白。

6 变频器的专业化应用

某注塑机厂使用注塑机专用变频器替代通用变频器。

由于注塑机用电机普遍采用转速控制方式，根据注塑腔内原料压强大小来调节电机转速和运行时间，先由大转矩中速进行模具内原料注入，当原料注满模具内时电机转换为高速运行状态，进行保压。经过保压时间后，塑料在模具内成型。电机降低转速至停止，完成一次注模过程。

在功能模块上，注塑机专用变频器省略了全功能变频器中的位置精度控制、上位机简单编程等功能，替代以注塑机运行时所需的液压信号来控制电机转速、转矩、运行、停止、报警等功能。并将注塑机电机控制模式、控制流程、电机参数、电机编码器位置等集成于注塑机专用变频器中。根据设备选用不同功率等级电机时，在专用变频器参数中直接选择相应电机参数便可使用，省去了大批量安装设备时，变频器一对一的复杂调试过程，降低人工成本。

同时，由于控制模块的简化以及信号输入输出端口的专用化，专用变频器的生产成本也得以降低。在大批量生产的设备中使用专用变频器，成本的节省也变得非常可观。

结 语

在科技飞速发展的当今社会，在最新领域的研究取得丰硕成果基础上加快产业化。这样便可大大缩短我们与世界先进国家的差距，甚至在某些领域可以超过他们。迄今为止，大容量交流电机调速技术应用的时机已经到来，只要国家在体制改革、生产管理和经营决策方面做好后盾，那么调频技术的发展将不可限量。

参考文献

1苗晓燕.智能功率模块在VVVF变频器中的应用.电子元件与材料,1994(4)

2孙守信.全数字控制IGBT―SPWM变频器的研究.电子技术学报,1994(11)