变频器对变频电机的驱动控制分析

丁志华

宁夏回族自治区固海扬水管理处 宁夏中卫 755100

随着我国科学技术的飞速发展，变频驱动技术水平随之不断提升，其综合性能更加成熟，因为其具有良好的实用性，所以被人们大范围运用到了电机驱动控制之中。这篇文章主要围绕变频器对变频电机的驱动控制展开全面深入地研究分析，希望能够对我国电气工业行业的未来稳步健康发展有所帮助。

1 变频调速方式的应用价值

1.1 实现了无级调速

将变频调速的方法加以良好地运用可以有效地完成无级调速，这主要是因为在变频电机大范围运用的形势下，变频器可以更加高效地对电路实施调控，从而确保速度能够保证始终维持稳定运转的状态。在电机的运转速度相对较低的时候，电机就会自行调整转矩，增加转矩从而实现控制电机启动时间的目的，尽可能地提升电机的启动效率。

1.2 启动时需要的电流较小

在启动电机的时候，一般会提升电流、增加振动频率，这样必然会对电机的运行性能造成一定的损害，无法对电机加以良好的保护。为了切实规避上述不良情况的发生，泵站工作人员可以运用调节变频的方法来控制电机启动过程所需要使用到的电流和振动频率，对于电机运行性能加以良好的保护，尽可能地保证电机的使用效果和寿命。

1.3 节能效果好

所有的机械设备在实际运行的过程中往往都会形成诸多的富余量，从而为驱动给予必要的辅助。对于一般的电机设备来说，在维持低速运行的时候，多余的转矩必然会导致功率的增加，造成能源浪费的情况发生。就变频设备来说，输出转矩一般较小，并且也可以对输出功率加以把控，促进电能使用效率的提升，尽可能地规避泵站电能出现浪费的情况，促进社会经济效益和降低泵站能源单耗。

1.4 降低了无功损耗，提高了电能使用率

电网中的无功率不仅会导致设备和线路损耗的增加，并且还会造成设备温度的不断提升，甚至会诱发火情的发生。变频调速装置中所设置的滤波电流一般可以有效地筛出电网中的无功功率，从而促进电机的运转效率，避免设备温度的提升。

2 变频电动机的特点

2.1 电磁设计

通常情况下，在针对电动机实施设计工作的时候，都会对其各项性能参数加以重点分析，变频电动机的设计一般不需要过分对过载能力以及气动性能加以关注，重点问题就是调节电动机与非正弦电波电源的适应能力。电磁设计方式为：首先，需要控制定子和转子的电阻。在进行设计工作的时候，适当的缩减定子电阻可以有效地降低铜的损耗，有效地缓解高次谐波所造成的铜的高损耗问题。其次，提升电感。为了有效地避免电流中出现高频次的谐波，控制铜损耗，可以结合实际情况和需要来增强电机的电感。但是极易导致转子槽漏抗的增加，这样也会导致高次谐波铜损耗问题的加剧，所以在进行电机漏抗设计工作的时候，对于阻抗的适用性也需要进行良好的分析研究。最后，主磁路不饱和的问题较为突出。在针对变频电动机的电磁实施设计工作的时候，通常都会将其设定为不饱和的状态，不但需要对高次谐波形成的磁路饱和状态加以考虑，并且还应当重视不断提升变频器的输出电压，这样就可以增强其输出转矩。

2.2 结构设计

在实施变频电动机结构设计工作的时候，应当对非正弦波电源对变频电动机的绝缘结构、振动频率以及噪声强度加以综合分析。详细的来说需要对以下几个方面加以重视：首先，绝缘等级。绝缘结构一般等级都是F级及以上，特别需要关注绝缘体对电压冲击所具备的承受能力。其次，刚性。就电动机的噪声以及振动的情况来看，需要重点关注电动机内部结构以及其刚性，尽可能地不断提升电机的频率，规避出现与各电磁力之间出现共振的问题。再次，冷却的方法。电动机运转过程中需要合理地选择通风的方式，电机散热风险尽可能运用单独的电机驱动设备。最后，轴电流。如果电机的容量超出了规定的范围，那么可以运用轴承绝缘的方式来对轴电流加以调控，避免磁路出现不对称的情况，如果轴电流较大，那么就会导致轴承需要承担较大的负荷，无法对轴承的正常使用加以保障，所以在实践中我们可以运用绝缘措施来避免轴电流的出现。

3 变频器对电机的影响

3.1 电动机的效率和温升问题

任何一种变频器设备，在保证正常运转的过程中，通常都需要稳定的电压辅助，整个过程中往往会出现高次谐波电流，在这种状态下电机就会维持在非正弦电压环境下，所以最终会诱发严重的能源损耗的情况。在出现高次谐波电流的时候往往会加剧铜耗以及铁耗的问题，转子铜耗的问题十分严重，这些能耗问题的发生也会促使电动机设备温度的不断提高，无法对电动机运行稳定性加以根本保障。

3.2 电动机绝缘强度问题

就当前变频器设备的使用效果来看，中小型变频器的使用概率相对较高，载波频率也在逐渐提升，甚至会提高到几万赫兹。在电动机内部所安设的定子绕组往往都需要承担较强的电压，从而会对电动机造成严重的损害，所以对于电动机的绝缘性能要求相对较高。就变频器实际运行情况来说，一般会形成矩形形斩谐波电压，在其与电动机的电压进行融合之后，就会对电动机的绝缘结构形成一定的损害，不利于电动机的稳定持续运转。

3.3 谐波电磁噪声与振动

为了保证电磁设备和机械设备都可以为实践工作提供良好的帮助，最为关键的就是需要从各个细节入手来增强其散热性能。在电动机的运转过程中一般振动的频率以及幅度会逐渐地增加，并且会产生严重的噪声。在变频电源之中，各类谐波一般都是普遍存在的，并且各类谐波之间也存在明显的关联，在频率保证稳定的状态时，所产生的共振现象最终会诱发较为强烈的噪声。在电动机维持正常持续运转工作状态的过程中，速度的波动范围会随之快速地扩大，并且不能高效地对电磁力波以及电动机振动频率进行准确的判断，噪声现象以及振动问题不能得到有效缓解。

3.4 电动机适应频繁启动、制动的能力

变频器逆变器电机在电源开启之后就会处在运行的状态，电机也可以在较低的频率以及电压状态下启动，这个时候冲击电流一般相对较小。制动变频器的运行可以使用多种方法来提升运转速度，电机也可以进行随时制动。

3.5 低转速时的冷却问题

电机自身抗阻效果相对较差，处在低速运行的状态过程中，电源中会形成高次谐波，这个时候的铜耗相对较高。其次，在电机处在低速运行的状态的时候，冷却风量与运转速度之间会形成失衡的状态，这个时候电机处在低速运行的状态，要想输出转矩是非常困难的。

4 变频器工作原理

变频器通常都是由多个电力电子部件组合而成的设备，电力电子部件的作用就是在电路之中起到阻断的作用。变频器的主要作用就是调节电流，变频器采用不同的控制方法往往最终形成的调速结果都是不一样的。控制方式主要涉及开环控制以及闭环控制，就开环控制实际情况来说，电压、频率都是以正比例的状态进行控制，闭环控制中主要涉及转差频率以及矢量控制。变频器在运行的过程中，其实际运行原理就是用整流器将电流电调整为直流电，并且相互之间可以进行调控。

5 变频电机调速系统

变频电机调速系统通常涉及四个分支，也就是整流电路、滤波电路、制动电路以及逆变电路，这一电路输出波形为脉冲方波，主要波形可以划分为高次谐波，电路中电压发生变化的频率就会依据相关比例完成调整，二者无法独立进行调整，这就充分说明了，这一电路在实际运行中无法满足供电电源的实际需要。

(1)整流电路。整流电路通常都是借助三相不可控桥式整流电路来实施操控的，利用这一系统结构可以将三相电流电转变为直流电，为后续电能供应给予辅助。

(2)滤波电路。整流电路之中调整完成的电流中，高次谐波的占比较高，滤波电路的作用就是对这类电流实施专门的处理，也可以有效地规避逆变电路和整流电路之间发生耦合的情况，尽可能避免电路遭到任何的干扰，从而将电路中的功率加以良好的把控。在电路与电源进行连接之后，电容两边的电压都会维持0的状态，这样就会造成线路通电之后，滤波器电容充电较大的电流极易对整流桥中的二极管形成一定的损害，可以借助电阻来对上述问题加以规避，等到电流中电流达到稳定状态之后，将电阻实施短路处理。

(3)制动电路。制动电路的作用就是对电路中的反馈能量加以清除，这些能量往往都是形成于电机减速的过程中，转子速度超过电机运行速度的时候，过量的动能就会导致直流电阻体现了滤波电容两边电压的增加，如果没有加以良好的处理，那么必然会对变频器造成一定的损害，制动电路的设置也可以有效地将上述问题加以解决。

(4)逆变电路。逆变电路中最主要的部件就是逆变管，其主要作用就是将现有的三相桥式整流电路调整为直流电来完成逆变的转变，在完成上述操作之后，幅值以及频率往往都可以加以调控。逆变电路系统在加以实践运用的时候，可以利用两种方式来完成控制，也就是闭环反馈控制以及开环反馈控制。开环反馈控制在实践中的作用就是为变频设备提供频率信号，对于变频器的循环运行加以控制，这样就可以完成对电机的把控。电机在实际运行中可以利用功率来对转动速度加以调控，转速与给定的转速之间往往都具有一定的差别，这一误差无法加以良好的规避，所以在精度要求相对较高的电机场中这一控制模式无法发挥出良好的作用。闭环反馈控制就是在开环反馈控制的基础上完成全面的调整，调整方法就是增设反馈环节，在实际运用的过程中结合环境情况来对误差加以调控，这样就可以保证良好的输出效果。大多数的闭环反馈控制在实践运用中通常都需要专门的转速传感器来加以辅助，这类传感器的安设可以将获取的转速信号加以反馈，并且与前期设定的标准参数进行对比，结合对比结果来实施调整，从而控制转速之间所存在的差异，保证电机能够维持正常运转。

6 变频电机驱动控制系统的工作原理

变频设备一般都可以利用RS485接口来获取主控系统的指令，例如，风扇转动的速度，主控设备可以利用RS485接口来完成远程对变频器的调控。变频器也可以借助RS485接口将转速等信号传递到主控计算机系统。变频器的主要功能就是将信号输送给计算机设备，随后进行专门的处理。变频器也可以运用线路与变频设备形成完整的整体，电机驱动液压泵在整个系统中的作用就是为提供动能，液压马达可以为风扇的正常转动给予必要的动能，风扇的转动通常就是运用转速设备来将信号传送到变频器之中的，变频器对风扇的转动情况进行掌握，从而实施调控。

(1)在闭环状态下可以对控制量情况进行设定和调控，变频器结合调控参数来对变频器输出频率加以管控，对于电动机的运行速度进行良好的调节。(2)在实际运转的过程中，变频器的运转频率往往都是由计算机加以控制的。(3)变频器在运转的过程中一旦出现任何的故障都可以将故障信号传递给计算机。(4)借助变频器设备上的主界面可以完成变频器的运行速度、开关、急停等操控。

7 变频器控制技术

7.1 电压矢量控制

在利用定子电流来获取坐标转换来完成电压适量的把控，需要将电机三相坐标依据直角坐标系来实施定子电流的调整。在实施调换的时候，需要将电流矢量结合实际情况在静止坐标中进行适当的调换，之后将两相静止坐标电流结合实际需要来加以转换。在进行上述操作的时候，需要对直流电机的控制模式加以掌控，并且需要对坐标逆变的相关规范标准加以掌握，这样才可以对异步电动机控制量各方面情况加以掌握。在将上述方法加以运用的时候，应当对转速以及磁场进行分别把控，结合分量的情况来加以判断。但是就实际情况来说，还应当对各个参数所造成的不同影响加以综合考虑，如果无法按照规定来完成调换，那么是无法实现既定的效果目标的。

7.2 直接转矩控制

直接转矩控制技术的运用可以有效地对电压矢量控制中所存在的问题加以解决，并且其最为突出的优越性就是整体结构相对简单，性能较强。通过专业人士的不断优化，直接转矩技术水平不断提升，并且被人们引用到了大功率电机牵引交流传动之中。

结语

总的来说，变频器在电机驱动控制系统中的作用是非常关键的，变频器是当前最为先进的机械设备，因为可以完成对电机的变频控制，也具备良好的节能降耗的特征，所以受到了人们的广泛青睐，被人们大范围运用。