摘要：随着电子技术的出现，变频装置开始蓬勃发展。变频技术在交流电动机调速中的应用，不仅能与直流电动机调速性能相匹配，而且比直流电动机调速具有制造简单、维护方便、转动惯量小、动态响应特性好、节能等优点。这项技术一经问世，便受到世界各行各业的青睐。目前，交流电机变频调速系统已广泛应用于各行各业，其控制性能和经济性能已超过直流电机调速系统。本文就交流电机变频调速控制系统进行了分析。
关键词：交流电机；变频；调速控制
引言
电机系统通常是由电控装置、电动机和机械负载组成。电控部分主要是实现电机的调速。变频器可以随着负载的变化改变输出交流电的频率和电压，并相应改变控制电机的输出转矩，达到节能的目的。换而言之，交流电动机变频调速技术本身就是一种节能技术，随着交流电动机变频调速技术的广泛应用，也带来了更新领域的新节能方法。
1交流变频调速系统概述
变频调速技术主要应用是根据电气设备的电机转速、工作电源频率之间所形成的正比关系，从而通过对电气设备电源输入频率的转变，实现调节电气设备电机转速、运行负荷、运行模式的控制目的，并提高设备的智能化程度及控制力度。
交流传动系统是使用交流电动机进行调速的系统，它主要分为交流异步电动机和交流同步电动机。交流异步电动机的调速有降低电压调速、转子串电阻调速、改变极对数调速及变频变压调速等多种方法。其中，降低电压调速、转子串电阻调速效率较低；改变极对数调速不能实现无级调速；仅有变频变压调速能在满足较高效率的同时实现无级调速，构成高性能的交流调速系统，进而取代直流调速。同步电动机因为其结构特点，仅能采用变频变压调速。
变频调速的核心设备就是变频器，通常分为交-直-交和交-交两大类。交-直-交被称为间接变频器，由整流电路、直流电路和逆变电路三部分组成。因为在输入输出交流电路之间有一个以上的直流电路，这种变换器的整流电路一般是由功率二极管构成的不可控整流桥。但是，如果变换器有能量回馈的要求，整流器也将由IGBT或IGCT等可控元件组成。根据滤波器的不同，直流电路可分为电压源型和电流源型。由于大电容提供无功补偿，系统功率因数高。电流源采用大电感滤波器，动态响应快，但功率因数和运行稳定性差。逆变电路一般由IGBT或IGCT等可控元件组成，采用PWM技术控制输出电压和频率。AC-AC变换器结构只有一个变换环节，所以又称为直接变换器。由于其功率因数低、谐波含量大、频谱复杂等特点，很少使用。
2变频调速方法的技术优点
电机控制采用变频调速系统的技术优势体现在以下几个方面。（1）节能效果好。在设备运行中，如若无法根据生产系统的实时运行情况加以自动化调节电气设备运行效率，企业则需要将各类电气设备的运行负荷调至较高区间范围内。这虽然保障了整体系统的运行稳定性、企业生产效率，但也消耗了大量额外电能、提高生产成本。在负载较低的情况下，变频器可以通过降低转速来降低电机的输出，避免以往采用排气阀或节流阀等消耗性负载调节方式，从而达到节能减排的目的。（2）真正实现无级调速，具有优越的调速性能。由于变频调速电机所采用的变频调速技术可以输出各种转速，因此在调速过程中的平滑性能和精度都相当高。如果电机转速处于低速起动状态，其输出转矩也比较大，可以使电机响应更快，大大提高电机的起动水平。实现了软启动和软停止，避免了直接启动对电网的冲击，延长了电机的使用寿命，具有明显的节电效果。（3）启动所需的电流很小，不会对电网造成影响。由变频器起动的电动机起动电流只有1倍左右，大大降低了系统容量的要求，降低了电动机起动过程中的热效应和机械振动，延长了设备的使用寿命。消除了水锤效应，降低了机械冲击和管道振动，提高了系统的可靠性。自动控制容易实现。（4）经济适用性特征。随着对变频调速技术应用力度、研发力度的不断提升，在充分积累技术应用经验的同时，技术总体理论体系不断优化完善，并降低了变频调速器装置的造价成本。变频调速技术具有经济适用性特征，大幅降低了设备运行成本。
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3变频器控制技术
3.1标量控制
标量控制是通过线性的控制电压和频率的值，保持励磁磁通不变，合理利用电机铁心，同时可以与负载配合，获得所需的输出转矩和转速。这种控制方式的定子相电压和感应电动势在低频时很小，定子电阻和漏感压降分量较大，电机转矩小，低频性能差。
3.2矢量控制
矢量控制是将异步电动机三相坐标系中的定子电流变换为旋转坐标系中的直流电流并对其进行控制。矢量控制控制策略与直流电机的控制策略非常相似，即先得到直流电机的控制量，再通过坐标反演得到异步电机的控制量。它不仅可以控制直流电动机的转速和磁场，而且可以获得与直流电动机同样优异的调速性能。
3.3直接转矩控制方式
通过使用DTC 直接转矩控制下的交流调速系统，相应的转矩响应速度要明显高于矢量控制。对于DTC 这种控制系统，实际的定子转矩都是由相应的电机电压以及实际电流来进行计算的，为了达到相应变频器PWM 控制的要求，使用了砰-砰控制的模式，在这种系统中，并没有包含相应的电流控制环路，因此相关人员对于控制系统的关注，不能放在电压上，而需要放在电流方面，把实际的交流电流依据磁场的相应坐标轴，划分成转矩分量以及相应的磁场分量，给予针对性的控制。DTC 因为缺乏电流控制环路，所以电压能够产生过冲现象，所以电机的加速电流比较高，自然而然就能获得较快的转矩响应以及电流响应。DTC 变频器实际上具有极强的转矩响应，这是无可争议的。如果真的对于转矩响应的要求非常之高，比如交流伺服传动的情况或者机车牵引的情况，就可以应用DTC 技术。如果相应的场合对于转矩响应只有比较低的要求，尤其是具有齿轮连接的传动情况，如果转矩响应太快，不仅无法带来好处，还会产生负面效果。
4变频调速系统的控制措施
4.1适应设备电机模型单元方向
变频调速技术在适应设备电机模型单元方向为对电机的电流输入频率开展持续性、实时性监测，并在监测结果基础上，对电机的运行参数、状态进行分析、确定。此外转矩控制层面上，对电机运行参数及状态的实时监测，也为其提供了准确的信息参考，进行转矩控制。而这也是实现闭环运转的主要途径之一。
4.2做好电机安全保障工作
在变频调速装置运行过程中，时常受到外界因素的干扰影响而出现各类运行故障问题。针对这类问题，普遍采取了相应的电机安全保障措施，这些保障措施也是变频调速技术的主要构成部分之一。配线、主线隔离运行措施。将二者进行隔离、独立运行，从而降低电磁感应对变频调速器装置所造成的影响系数；遮光措施。在变频调速器装置周边区域中搭建遮光棚，降低日照强度、光亮度对设备的影响；设备底座加垫橡胶垫措施。在变频调速设备底座区域中加垫橡胶垫等减震材料，避免复杂作业环境对变频调速器的运行精度、稳定性造成影响。
结束语
对交流电机变频调速技术的合理应用，不但是提高设备自动化程度、生产效率、设备运行稳定性的主要途径，也是推动我国工业生产领域整体发展、打造低碳经济社会的必由之路。因此必须提高对交流电机变频调速技术的应用与研发，降低电气设备能耗，优化生产效率，提高企业的市场核心竞争力。
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论文作者:张浩,陈杨,史瑞雪
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6