變頻器拖動異步電機調(diào)速實驗

王春鳳, 薛文軒

(清華大學(xué) 自動化系，北京 100084)

“電力拖動系統(tǒng)”是高校自動化專業(yè)、電氣自動化專業(yè)開設(shè)的核心專業(yè)課程[1]。近年來，隨著變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻器以其很好的調(diào)速、節(jié)能性能而備受青睞[2-3]。開發(fā)交流電機變頻調(diào)速實驗技術(shù)和實驗方法，用前沿技術(shù)的科研成果拓展豐富的實驗內(nèi)容，設(shè)計多層次、多類型實驗教學(xué)模式，通過增加師生互動，激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，對提高學(xué)生思考問題、解決實際問題的能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識，具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成

變頻器拖動異步電機調(diào)速系統(tǒng)主要由交流變頻器、三相交流異步電機(以下簡稱交流異步電機)、直流發(fā)電機和測速電機組成，如圖1所示。變頻器由整流器、二極管、直流母線電容、三相逆變橋等部分組成。變頻器的輸入端接220V/50Hz的電網(wǎng)，輸出端接交流異步電機。作為負(fù)載的直流發(fā)電機的勵磁回路以及電樞回路接線圖如圖2所示[4]。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖2 直流發(fā)電機系統(tǒng)接線圖

2 實驗內(nèi)容設(shè)計

(1) 富士電機的變頻器(型號FRENIC-Multi)的基本功能的學(xué)習(xí)和設(shè)定。

(2) 觀測典型U/f曲線(基礎(chǔ)型)。

(3) 測量交流電機的機械特性曲線(基礎(chǔ)型)。

(4) 變頻器低頻轉(zhuǎn)矩提升實驗(基礎(chǔ)型)。

(5) 變頻器輸入、輸出電流的測試與分析(研究型)。

(6) 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)電壓的測試與分析(研究型)。

(7) 不同轉(zhuǎn)矩提升功能條件下的U/f曲線的測定(綜合設(shè)計型)。

(8) 變頻器的多段速控制功能實現(xiàn)(綜合設(shè)計型)。

3 實驗設(shè)計的特色和實驗結(jié)果

3.1 測定交流異步電機的機械特性

交流異步電機穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩Te與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同。以直流發(fā)電機+可變電阻作為交流電機的負(fù)載，忽略機械摩擦轉(zhuǎn)矩，直流發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩(可用電樞電流代替)近似于交流異步電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；直流發(fā)電機的電樞電流正比于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，所以這種負(fù)載既能較準(zhǔn)確地反映電機的工作特性，而且其安全性較好(當(dāng)然這種負(fù)載與實際工程中所用負(fù)載有差距)。因此，直流發(fā)電機電樞電流Ia與電機轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線可以粗略反映交流異步電機的機械特性曲線[5-6]。

交流異步電機固有機械特性不是一條直線，是跨越3個象限的曲線。圖3為第一象限部分的示意圖，圖中C點稱為最大轉(zhuǎn)矩點[1]。

圖3 交流異步電機機械特性曲線(第一象限)

對于學(xué)生的基本要求是測量圖3中AC段中近似直線部分，鼓勵有興趣的學(xué)生測量最大轉(zhuǎn)矩點C點附近曲線。但是，在實際運行過程中，C點附近的工作特性的測定有很大的難度。實際測量時，除了均勻調(diào)節(jié)滑動變阻器(即減小電阻，增大直流發(fā)電機電樞電流)，更要密切監(jiān)測直流發(fā)電機電樞電流、交流異步電機電流以及電機轉(zhuǎn)速，不能超過額定值。另外，注意在負(fù)載較大的情況下工作時間不宜過長，以防電阻發(fā)熱導(dǎo)致實驗測量不準(zhǔn)確。

思考題中要求將U/f控制下的交流異步電機機械特性與直流發(fā)電機的特性進行對比，討論有何異同[7]。在實驗過程中，不僅讓學(xué)生理解了交流異步電機的工作特性，還培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作態(tài)度，加強了對實驗動手能力和實驗技能以及嚴(yán)肅認(rèn)真和實事求是的科學(xué)作風(fēng)的培養(yǎng)。根據(jù)實驗結(jié)果，畫出的交流異步電機機械特性曲線見圖4。

圖4 實驗測出的交流異步電機機械特性曲線

3.2 提取并改善變頻器輸出電壓波形

變頻器輸出的SPWM電壓波形含有大量的高次諧波，而電機轉(zhuǎn)矩主要依賴于基波電壓有效值。在SPWM變頻器-交流電機系統(tǒng)中接入濾波器，可以有效提取基波電壓。在實測基波周期內(nèi)變頻器輸出電壓波形的基礎(chǔ)上，通過分析和研究與接入的RC濾波器參數(shù)關(guān)系，研究RC濾波器的參數(shù)對輸出大小和波形的影響，確定濾波器參數(shù)的選擇范圍[8]。

3.3 研究變頻器輸入和輸出電流波形

變頻器輸入的有功功率與輸出的有功功率應(yīng)該相等。變頻器的輸入端為頻率50Hz的220V交流電壓，變頻器的輸入電流中沒有無功電流分量，而在變頻器輸出端，由于電容上存在無功電流，當(dāng)變頻器運行于基頻以下的時候，實驗采用恒壓頻比控制方式，即U/f為常數(shù)，這種情況下，變頻器的輸出電壓小于輸入電壓，所以，在基頻以下運行的時候，變頻器的輸出電流幅值大于輸入電流幅值。

通過提取變頻器的輸入及輸出電流波形，啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用能量守恒定律解釋分析輸入電流小于輸出電流的原因，以及應(yīng)用SPWM控制技術(shù)解釋電流畸形產(chǎn)生的原因。

3.4 用科研成果和工程問題拓展實驗教學(xué)內(nèi)容

近年來，關(guān)于電動汽車和風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)矩特性的研究有了突破性的成果[9]。這些負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性不同于恒功率負(fù)載和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，呈二次方遞減特性。在基礎(chǔ)型實驗內(nèi)容中，設(shè)置典型的U/f曲線測定；在綜合設(shè)計型實驗中增加二次方遞減轉(zhuǎn)矩特性的內(nèi)容，開闊了學(xué)生的眼界，而且培養(yǎng)學(xué)生實際工程的意識。

3.5 用多層次和多類型的實驗教學(xué)增強師生互動

除了注重實驗技術(shù)的現(xiàn)代化和前沿化，我們還注重將最新的實驗設(shè)計方法、數(shù)據(jù)處理方法、測量標(biāo)準(zhǔn)等引入實驗教學(xué)。實驗類型有基礎(chǔ)型、研究型和綜合設(shè)計型。讓學(xué)生觀測變頻器輸入、輸出電流波形，輸出電流大于輸入電流的現(xiàn)象引起了學(xué)生的極大興趣；交流變頻器的高級功能的實驗，不同于實驗指導(dǎo)書，給出的是實驗任務(wù)書，讓學(xué)生自主設(shè)計實驗步驟，通過師生互動，反復(fù)實踐，實現(xiàn)學(xué)生自己的創(chuàng)意，學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)自己的興趣所在；實驗數(shù)據(jù)處理方法可以采用Matlab、c語言等多種應(yīng)用軟件，深入分析實驗現(xiàn)象。實驗數(shù)據(jù)的測量方法也是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)的重要手段，例如，我們鼓勵學(xué)生分別用萬用表和有效值表測量變頻器輸出電壓值，通過分析實驗數(shù)據(jù)的差異的原因，不僅掌握實驗儀器的工作原理和實驗方法，更重要的是深刻領(lǐng)會了變頻器的工作原理及應(yīng)用問題。

整個實驗需要學(xué)生在掌握電機的基本工作原理、變頻器工作原理及其電機動靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，把握運動控制所描述的電機與負(fù)載的關(guān)系，認(rèn)識典型的負(fù)載機械特性。這樣可以使學(xué)生融會貫通地學(xué)習(xí)自動化專業(yè)中如控制系統(tǒng)分析與控制方法設(shè)計等。

4 結(jié)束語

實驗應(yīng)用于清華大學(xué)本科生專業(yè)核心課程“電力拖動與運動控制”的課程實驗和清華大學(xué)本科生的“運動控制專題實驗”，提高了交流電機以及變頻器實驗的技術(shù)水平，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，能滿足培養(yǎng)高水平自動化專業(yè)人才的需要。

配合現(xiàn)有“電力電子與運動控制”實驗教學(xué)平臺，還可以與自動化系本科生專業(yè)核心課程“電力電子技術(shù)基礎(chǔ)”的課程實驗“正弦逆變實驗”的部分內(nèi)容相結(jié)合而構(gòu)成選做實驗[10]，滿足有興趣、希望對“正弦逆變實驗”做更廣泛和深入研究的學(xué)生要求。

[1] 楊耕,羅應(yīng)立. 電機與運動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 徐惠琴.變頻器調(diào)速原理及運行過程中存在的問題和解決方法[J].機械管理開發(fā),2011(1):63-65.

[3] 程峻祥.交流電機變頻器調(diào)速的控制及應(yīng)用[J].科技信息,2007(23):99,114.

[4] 程勇.用單片機變頻器控制電動機調(diào)速實驗的探索[J].實驗室研究與探索,2004,23(10):69-70,86.

[5] 劉洪鑫.變頻器負(fù)載試驗的幾種方法[J].變頻器世界,2005(4):12-14.

[6] 楊耕，王春鳳，薛文軒. 電力拖動系統(tǒng)課程中運動方程內(nèi)容的教學(xué)實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010,32(2)：91-94,116.

[7] 王春鳳,李旭春,薛文軒.PWM直流調(diào)速系統(tǒng)實驗的教學(xué)實踐[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):32-34,49.

[8] 徐志,田志勇,李華.變頻器諧波危害分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2010，9(11)：100,103.

[9] 耿華,楊耕. 變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制[J]. 中國電機工程學(xué)報,2008,28(25)：130-137.

[10] 王春鳳,李旭春,薛文軒，等. 正弦波逆變電路實驗的設(shè)計與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理,2010,27(8)：135-138.