试论交流变频拖动系统

【摘　要】交流调速技术的基本控制原理很早就已经确立，转子电阻控制、串级调速等方式早已经实用化，但是长期以来，异步电机交流调速技术在稳定性、可靠性、控制性能和维修等方面的不足，使其使用范围受到限制；尤其是在像电梯等对控制性能、可靠性等要求非常高的系统中，一直都是直流电动机调速技术的天下。1965年以后，由于晶闸管及控制晶体管的进步，控制线绕式异步电动机的转子电压进行调速运转的静止串级调速、采用晶闸管逆变器控制鼠笼式异步电动机进行调速运转等方式逐渐实用化，逐渐奠定了以逆变器为主流的技术基础。而且直接采用电动机调速的技术逐渐取代了其它各种调速技术（如采用皮带的机械式传动、采用液压联轴节的液力传动等），成为调速技术的主流。

【关键词】交流调速;控制原理;变频器

1.变频调速技术的基本原理

异步电机，特别是三相鼠笼式电机，由于结构简单牢固、价格便宜、运行可靠和无需维护等特点，在交流传动中得到了及为广泛的应用；异步电机的调速可分为两大类，一类是在电机旋转磁场同步转速，恒定的情况下调节电机的电机转差率；另一类是调节电机的同步转速。异步电动机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等，都是在电机旋转磁场同步转速恒定的情况下调节电机的转差率来实现电机调速，这类调速方法简单，易于实现，但效率较低。变极调速和变频调速则是在保持邃本不变的情况下，调节电机的同步转速，来实现电机调速，这类调速方法属于高效率的调速方法，特别是变频调速是异步电动机高效调速方法的典型，它既能实现异步电动机的无级调速，又能根据负载的特性不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，可使电机始终运行在高效率区，并保证良好的运行特性。另外异步电动机采用变频调速技术还能显著改善起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，同时还能加宽调速范围、提高力力矩性能指标等。可以说，变频调速是目前为止异步电动机最为理想的调速方法。

2.变频器的结构

综合考虑液压电梯控制系统的特点，主要考虑的是低频力矩指标和四象限工作能力；在变频调速液压电梯速度控制中，采用电压源型交-直-交变频器。变频器主要由五部分组成：整流回路、逆变器、控制电路、制动组件和保护回路。

2.1整流回路

整流器由二极管或晶闸管组成，它负责将工频电源变成直流。在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器部分产生的脉动电流也使直流电压变动；为了抑制电压波动，可采用直流电抗和电容吸收脉动电压（电流）。

2.2逆变器

现在的交-直-交变频器在采用脉宽调制（PWM）技术后，把调压和调频的任务统一由变频器来完成，最常用的调节方案采用SPWM方式，采用参考正弦电压波与载频三角波来互相比较，决定主开关的导通时间来实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身，而且还因采用不可控整流，简化了整流装置，降低了整流器的造价，同时还改善了系统的功率因数，加快了系统的动态响应，特别是通过采用适当的调制方法可以使变频器输出电压中谐波分量，尤其是低次谐波显著减少，从而使异步电动机的技术性能指标得到了大幅度地改善。

2.3制动组件

一般的电压源型交-直-交变频器为不可逆变频器，即变频器正常运行为两象限运转，电源只向异步电动机输出功率。对于减速时需要制动力的负载，功率会从异步电动机向逆变器回流，此时变频器需附加一套制动组件，以实现电机Ⅱ、Ⅳ象限制动；制动组件采用制动电阻的形式，当异步电动机工作于制动发电状态时（转差率为负），将产生再生能量，再生能量存于变频器平滑回路电容器中，使平滑回路中直流电压升高，当电压升高到一定值时，控制电路使制动部分的晶体管道通，再生能源流入电阻器被消耗掉。再生能量较大时，控制单元和电阻单元将分别设置。对于需要急加减速度，并且加减速度频繁的场合（电梯），或对于制动为主要目的场合（液压电梯下行），需采用可逆变频器，实现电动机的四象限运行，即双向电动和能量回馈制动运行。可逆型逆变器可以将电机的再生能源反馈回电网。

2.4控制回路

向异步电机供电的主回路提供控制信号的回路，称为控制回路。控制回路由由运算回路、电流电源检测回路、驱动回路、测速回路等组成。其中运算回路将外部的速度、转矩指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出电源和频率。电压/电流检测回路采用霍耳CT、电阻等元件，并与主回路隔离进行电压、电流的检测。驱动回路驱动主回路元件的导通、关断，它与控制回路隔离。速度检测回路通过异步电机轴上的速度检测器（TG、PLG）或其他途径，将速度信号送回运算回路，对系统构成速度闭环控制。

2.5保护回路

变频器控制回路中的保护可分为变频器保护和异步电动机保护。变频器的保护功能有：瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、瞬时停电保护、接地过电流保护、冷风机异常保护等。对异步电动机的保护有：过载保护和超速（超频）保护。

3.变频调速的控制方式

3.1 V/F控制

异步电动机的转速由电源频率和级数决定，所以改变频率可以控制电动机调速运行。但是频率的改变导致电动机内部阻抗也改变，因此单独改变频率将产生由弱励磁引起的转矩不足和由过励磁引起的磁饱和等现象，使电动机的功率因数和效率下降：V/F是一种开环控制方式，变频器在改变输出频率的同时，必须控制变频器的输出电压，即使V/F为常值。V/F控制系统结构简单，但是静、动态性能均不理想，尤其在低频时的特性较差，需要函数发生器适当提高定子电压来补偿磁通的减少；这种控制方式基本上不适合在液压电梯中应用。

3.2转差频率控制

转差频率控制方式是在V/F控制方式的基础上发展起来的，需要检测出电动机的转速，然后以电动机速度与转差频率的和来给定变频器输出频率。由于能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率，与V/F控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它具有速度控制器，利用速度反馈进行速度闭环控制可适用于自动控制系统。在V/F控制中，如果保持电动机气隙磁通一定，则电动机的转矩及电流由转差频率决定。如果增加控制电动机转差频率的功能，那么异步电动机产生的转矩就可以控制。转差频率是施加于电动机的交流电压频率与电动机速度（电气角频率）的差频率，在电动机上安装测速发电机（PG）等速度检测元件，就可以知道电动机的速度，此速度加上转差频率（与产生所要求的转矩相对应）就是变频器的输出频率。根据电动机产生的转矩大体与转差频率成比例的事实来控制电动机产生的转矩，就是转差频率控制的原理，这种控制方式具有较高的静动态性能。

3.3矢量控制

矢量控制的特点：（1）矢量控制特性比其他控制特性优越，可实现与直流电机相同的控制特性；（2）矢量控制变频调速响应速度快，调速范围广，特别是低速段的调速性能优越，可满足频繁急加、减速度运转和连续四象限运转等场合；（3）可以进行转矩控制。在电机静止状态时，能控制产生静止转矩；（4）控制运算中一般需要使用电动机的参数，需要电动机的速度反馈，一般要求电动机为专用电动机。由于矢量控制方式完美的控制特性，可以很好地满足液压电梯的低频力矩指标、静动态性能。

【参考文献】

［１］王树.交流调速系统设计及应用.北京机械工业出版社.2005.

［２］汝长青.基于DTC的ABB变频器在带式输送系统的应用[J].煤矿机械,2009,(02).