变频器对变频电动机的传动控制分析
（454003 河南理工大学电气工程与自动化学院 河南 焦作）
【摘 要】变频电动机的传动控制中使用频率比较高的一种技术是变频驱动技术。变频驱动技术是节能减排理念的重要体现，并且在运行方面更加的安全和方便，所以在电机传动中得到了广泛的应用。本文就以变频器对变频电动机的传动控制进行了分析，通过对变频器工作原理、控制技术，变频电机工作特点，变频调速方法的优势以及变频传动技术存在的问题进行分析，之后提出了变频器对变频电动机传动技术的优化建议，希望可以对变频电动机的健康运行提供一些参考建议。
【关键词】变频器；变频电动机；传动控制
引言
科学技术水平的不断提升，带动了电子技术、计算机技术、信息技术以及自动化技术的发展，同时也带动传动控制技术的发展。现阶段，我国电器行业中的电机传动技术越来越成熟，并向着交流传动的方向上发展起来，而模拟技术也开始被计算机信息技术所取代。目前我国采用的变频电动机传动技术主要是变频器传动技术，其有着节能、简便、安全可靠性等优势，在电机驱动控制中得到了广泛的应用，为电气行业的发展提供了重要的保障。
一、变频器介绍
（一）变频器工作原理
变频器是电气设备中的一种，其是由电子器件和多种电力共同构成的一种电气设备，最主要的作用是实现变流。变频器的工作原理是通过使用不同的控制方法来达到不同的调速目的，之后实现对变频电动机传动进行控制。在其运行工作的过程中，主要分为了闭环控制和开环控制。闭环控制中包括了转差频率控制和矢量控制等。开环控制主要是电压和频率之间进行正比例的控制方式。变频器在使用的过程中，电路有两种变频，一种是交流变频之间的互换，另一种是交流到直流，直流再到交流的变频互换方式，借助于整流器的作用来实现交流和直流电的转化，之后通过逆变器把直流电转化成交流电，实现彼此之间的调节、转化。
（二）变频器控制技术
1.标量控制技术
标量控制技术是一种比较传统的依靠V/F来实现控制的技术，主要是借助于线性的控制电压和频率值来实现励磁磁通的固定，从而对电动机铁芯进行充分的利用；此外，和负载合来实现所需要的输出转矩、转速。如果标量控制技术的频率比较低，那么定子相电压和感应电动势就不会很大，漏磁感抗压以及定子电阻的比重就会比较高，在这样的情况下，就会缩小电动机的转矩，出现比较弱的低频率性能，因此这种控制技术一般会应用在对调速性能要求不高的电动机中使用。
2.矢量控制技术
矢量控制技术是是一种把异步电动机中的三相坐标系中的定子电流进行坐标转换的控制技术，通过这种控制技术不仅可以实现直流电流，同时还可以对这些直流电流进行很好的控制。矢量控制技术对电流的控制和直流电动机比较类似，都是通过得到直流电动机控制量和坐标逆变来对异步电动机中的控制量进行获取。这样就和直流电动机那样实现控制磁场和转速，这样就可以得到和直流电动机一样的调速效果。而这种技术在国产高性能的变频器中应用率比较高。
3.直接转矩控制技术
直接转矩控制技术主要是通过定子坐标系中的空间矢量坐标来实现交流电动机数学模型的建立和分析的，并对电磁转矩和定子磁链来进行控制的技术。直接转矩控制技术存在着很大的优势，在操作上更加的方便快捷，不用进行坐标变化分析，并且因为转矩是直接控制量，所以转矩相应更加快，这样在进行减速和负载发生变化的时候就会有更好的效果。现阶段，直接转矩控制技术的专利是属于瑞士ABB公司的，因此ABB公司旗下的变频器产品中大多采用的这种控制技术。
在实际应用的过程中，直接转矩控制技术的实现是建立在性能比较高的交流调速系统中的，同时还是以异步电动机的动态数学模型为基础来对磁链和转矩进行控制的。但是直接转矩控制技术的操作比较简单，通过静止坐标转换控制定子磁链来进行控制，这样就不会受到转子参数的限制和影响，导致脉动转矩的出现，造成调速范围的缩小。
如上文所述，以上三种变频器控制技术和无速度传感器控制以及有速度传感器控制技术之间还有着很多的不同之处，其中，有速度传感器控制技术是结合了PID调节来实现准确的调速控制的，优速传感器控制技术可以和直接转矩控制技术以及矢量控制技术进行结合使用，在应用范围方面更加宽广；而无速度传感器控制技术只能单独的在一些对调速精准度比较高的场合中使用。
二、变频电动机的特点
（一）电磁设计方面
通常来说，在前期电动机设计的过程中需要对其运行的性能参数进行考虑，比如对过载能力、功率因数、以及启动性能参数等进行考虑。但是变频电动机就不需要对启动性能和过载能力情况进行过多的考虑。而是需要对非正弦波电源和电动机两者之间的相互适应性情况进行考虑。在进行电磁设计的时候，需要从以下几点来进行考虑；1）要尽可能的减少转子和小定子电阻，以便于降低铜耗，和高次谐波产生的铜耗进行互补；2）增加电感；增强电感主要是为了对电流中高次谐波的出现和铜耗进行控制，随着电感的提升也会导致转子槽漏抗变大，产生巨大的高次谐波铜耗的出现，所以，在对电机的漏抗大小进行设计时，要从整体的阻抗方面来进行设计；3）主磁路不饱和；在设计变频电动机的电磁主路的时候，会设计成不饱和主磁路，这样高次谐波的磁路就会呈现出饱和的状态，另外，还可以提升变频器输出的电压和输出转矩。
（二）结构设计方面
在进行结构设计的时候，不仅需要考虑到正弦波电源对电动机绝缘结构的影响，同时还需要考虑到震动情况和噪音情况的影响。因此在设计的过程中就需要从以下几点来出发；1）要考虑绝缘等级；同行来说绝缘等级最低是以F级为参考的，所以，要考虑到电压冲击对绝缘体造成的冲击力，以及绝缘体的承受能力；2）刚性；在变频电动机的噪音和震动设计的过程中需要注意电动机结构的刚性和构件、以及电动频率的提升情况等，这样才可以减少一些磁力波共振带来的冲击和影响；3）冷却方式；变频电动机从运行到冷却，主要是通风的方式进行冷却的，这时候电动机的散热风扇是以独立的电器驱动器来实现的，这样可以快速的实现电机冷却；4）轴电流；在电动机的电容量大于160千瓦的时候，需要借助于轴承绝缘来对轴电流进行控制，以此来减少磁路不对称的问题，但是在这个过程中，轴电流比较大的话，会对轴承造成一定的破坏作用，造成轴承损坏，因此需要通过绝缘方法来减少轴电流的增加。
三、变频电动机调速分析
（一）变频调速技术的优势
首先，变频调速技术实现了无极调速控制，让调速性能更加稳定和快速；变频调速技术输出转速会有所不同，从而满足于不同的需求，此外，因为调速性能的平滑性比较好，同时还具有很高的精准性，所以有着比较广的应用范围。如果电动机的转速在比较低的情况下启动，那么就会出现高输出转矩，带动电动机的快速运转，加快电动机的启动速度。
其次，电动机在启动的过程中对电流的要求并不多，也不会对电网产生冲击；普通的电动机在启动的时候需要6-8倍的启动电流，而在采取降压启动的时候也需要3-5倍的启动电流，但是如果采用变频电动机启动的话，1倍启动电流就可以实现，不仅有效的降低了电动机启动对电容量的需求，同时还避免了机械振动问题和热效应问题的发生，延长了电动机的寿命。
另外，具有一定的节能减排作用；如果在低负载的情况下使用电动机，那么变频器就可以通过降低自身的转速来实现对电动机输出量的控制，这样就可以减少节流阀和放空阀等的能源消耗，从而减少了一些不必要的消耗，实现了节能的效果。
（二）变频电动机驱动控制系统工作原理
通常情况下，变频器是通过RS485接口来接收运行命令的，主控计算机向接口发送相关的命令，之后在变频器接收到命令后，转换成信号传输到电动机控制系统中。其中变频器是通过电缆和电动机之间的联系来驱动液压泵中的液压马达运行的，之后再由液压马达中的风扇转速传感器向变频器发送脉冲信号，这样，变频器就可以接收到风扇的实际转速，并进行闭环控制。而风扇转速的控制是可以根据实际的情况进行调整的，这样就更加方便了变频电机驱动控制。
四、变频传动技术存在的问题以及处理策略
现阶段，脉宽调制逆变器输出技术被应用在性能比较高的变频器中，是为了减少输出波形中出现高谐波含量的问题。在运行的过程中谐波和其反射波进行叠合传输，在传输到电动机接线端子的位置时，转化成尖峰电压，对电动机的相-相和相-地绝缘产生影响。其次，谐波电压的不断升高，也会对电动机的匝间绝缘产生一定的压力和破坏作用。另外，谐波也会让电动机的运行产生很大的热量和噪音。而这些问题都是在进行设计时候需要重点考虑的问题。而为了解决这些问题，需要在变频器输出侧增加一些电抗设备，如电抗器或者是LC滤波器等，这样才可以对谐波进行控制，优化电压波形，减少谐波的产生；另外，也可以对电动机绝缘和机械结构进行优化和升级，提高电动机在谐波环境下的运行效率。
变频电动机在运行的过程中需要向电网输入一些谐波，如果这些谐波含量符合《电能质量公用电网谐波》的输出标准，那么就无需再进行消谐；但是如果谐波的含量超标，那么就需要根据超标的情况采取科学有效的处理。如果变频器的数量不多，可以在变脾气输入侧增加滤波器来解决这一问题；但是如果变频器数量比较多的时候，需要通过LC滤波器等滤波器设备对谐波含量进行控制。
以前，异步电动机的冷却方法是同轴风险冷却，这种方式比较适合在变脾电动机运行速度比较低的时候使用，这样同轴风扇散热量不多，需要借助于非同轴的额外的供电来进行冷却。如果在电动机运行转速都比较高的时候，需要在保障散热要求后，才可以使用同轴风扇进行冷却。在实际的应用过程中，大多时候是通过非变频的电动机来进行变频调速的，这样就会增加上述的问题。而这时候更换变频器就会导致变频器的损坏，对生产造成很大的影响。所以，需要对变频器和电动机的联合使用进行详细的分析和研究，之后通过科学合理的方法来对整个的变频调速系统进行调整，保障其正常的运行。
五、结语
电动机传动控制技术在未来的发展中有着很大的潜力和空间，而变频器在电动机传动控制技术中也发挥着非常重要的作用，因此，得到了很多部门的重视，并且且针对变频电动机传动控制技术也进行了不断的研究和完善，并在这个过程中研发出很多相关的技术和产品，以此来更好的为变频电动机传动进行控制，为电器行业的发展提供技术支持，从而推动我国国民经济的快速发展。
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作者简介：
姓名：刘洋（1988-）性别：男；民族：汉族；学历：在读研究生；研究方向：电力电子与电气传动；在读单位：河南理工大学电气工程与自动化学院。
