（上海建橋學院機電學院，上海 201315）

1 引言

異步電動機應用廣泛，變頻器普及后，很多電機實現(xiàn)了變頻調速。變頻器的品種、性能、參數(shù)設置日趨增多和高端化復雜化。不管是通用的變頻器，還是專用的變頻器，對于用戶來說，如何正確選擇、如何驗證廠家的性能說明，都是相當困難的。對變頻器的性能驗證和確認，一直沒有得到很好的研究，尤其是把變頻器和具體的電機合在一起看做一個系統(tǒng)進行研究。較早的研究［1-3］針對若干具體的問題和應用，最新的研究見文獻［4-5］，文獻［4］構造了一個針對變頻器性能的計算機測試系統(tǒng)，文獻［5］研究了變頻調速系統(tǒng)性能的優(yōu)化。本文的研究中把變頻器和電機看做一個系統(tǒng)進行實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行處理得到了兩輸入兩輸出的數(shù)學模型，通過對此模型參數(shù)的分析便可以確定和比較多種變頻調速系統(tǒng)的性能。此方法簡單易操作，研究的結論也證明了此方法的可行性和可信性。

2 實驗系統(tǒng)結構和組成

本實驗系統(tǒng)包括3種0.75 kW的變頻器（西門子 MM440，三菱 FR-A740，臺達 VFD-V），1臺0.25 kW的交流異步電機，1臺0.6 A的磁粉制動器，1只Omron旋轉編碼器、1套數(shù)據(jù)采集卡、1臺可調直流穩(wěn)壓電源。電機、磁粉制動器、編碼器同軸連接，由3種變頻器不同時分別驅動電機。工作時，由編碼器的輸出信號借助于數(shù)據(jù)采集卡測量轉速，由變頻器的模擬量輸出端子將電動機的工作電流送到數(shù)據(jù)采集卡，從而測量電機電流，由可調直流電源可以設定磁粉制動器的工作電流，由霍耳傳感器可以進一步檢測磁粉制動器的工作電流。實驗系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。

圖1 交流電機變頻調速性能實驗系統(tǒng)的結構Fig.1 Experiment system structure of converter drive of induction motor

3 實驗內容與實驗數(shù)據(jù)

在實驗過程中，針對多種頻率命令信號（f/Hz）和負載電流給定信號（IL/A）（以磁粉制動器工作電流的形式表示），測量電機穩(wěn)定工作時的電機轉速（n/r·min-1）和電機電流（I/A），得到下面實驗數(shù)據(jù)。表1～表6中的數(shù)據(jù)是電機轉速和電機電流的測量值，第1列為負載電流給定，第1行為頻率給定。

表1 西門子變頻器MM440在恒壓頻比控制模式下的實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data of Siemens converter MM440 drive in the constant V/f control mode

表2 西門子變頻器MM440在矢量控制模式下的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experiment data of Siemens converter MM440 drive in the vector control mode

表3 三菱變頻器FR-A740在恒壓頻比控制模式下的實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Experiment data of Mitsubish converter FR-A740 drive in the constant V/f control mode

表4 三菱變頻器FR-A740在矢量控制模式下的實驗數(shù)據(jù)Tab.4 Experiment data of Mitsubish converter FR-A740 drive in the vector control mode

表5 臺達變頻器VFD-V在恒壓頻比控制模式下的實驗數(shù)據(jù)Tab.5 Experiment data of Delta converter VFD-V drive in the constant V/f control mode

表6 臺達變頻器VFD-V在矢量控制模式下的實驗數(shù)據(jù)Tab.6 Experiment data of delta converter VFD-V drive in the vector control mode

4 交流異步電機變頻調速系統(tǒng)輸入輸出模型

基于Matlab的多元回歸函數(shù)，分別建立轉速和電機電流的回歸模型，然后綜合起來得到兩輸入兩輸出的3種變頻調速系統(tǒng)的6個模型。

西門子變頻器MM440恒壓頻比控制模式下的輸入輸出回歸模型

回歸偏差最大值為

西門子變頻器MM440矢量控制模式下的輸入輸出回歸模型

回歸偏差最大值為

三菱變頻器FR-A740恒壓頻比控制模式下的輸入輸出回歸模型

回歸偏差最大值為

三菱變頻器FR-A740矢量控制模式下的輸入輸出回歸模型

回歸偏差最大值為

臺達變頻器VFD-V在恒壓頻比控制模式下的輸入輸出回歸模型回歸偏差最大值為

臺達變頻器VFD-V在矢量控制模式下的輸入輸出回歸模型

回歸偏差最大值為

基于Matlab的多元線性回歸程序舉例如下：

5 基于輸入輸出模型的性能分析和比較

在以上輸入輸出模型中，系數(shù)矩陣集中反映了變頻器的整體性能指標。設系數(shù)矩陣形式為

通過對輸入輸出模型的分析，可以看出此矩陣中各元素所具有的物理意義如下：

k11反映了交流調速系統(tǒng)中變頻器對給定轉速命令的實現(xiàn)能力，此指標越大性能越好；

k12反映了交流調速系統(tǒng)中負載的變動對電機轉速的影響，此指標絕對值越小性能越好；

k22反映了交流調速系統(tǒng)中變頻器對電機轉矩的控制能力，此指標越大表示性能越好；

k21反映了交流調速系統(tǒng)中轉速的變動對電機輸出轉矩的影響，此指標絕對值越小性能越好。

表7、表8列出了以上輸入輸出模型中系數(shù)矩陣各元素的對比情況。

表7 恒壓頻比控制模式下3種變頻器的性能比較Tab.7 Property comparison of three converter drive system in the constant V/f control mode

表8 矢量控制模式下3種變頻器的性能比較Tab.8 Property comparison of three converter drive system in the vector control mode

根據(jù)以上各系數(shù)的物理意義和表7、表8的數(shù)據(jù)，可以近似得到下列結論：

在恒壓頻比控制模式下，西門子MM440對轉速命令的實現(xiàn)能力最強；臺達VFD-V對轉速命令的實現(xiàn)能力最弱；臺達VFD-V驅動電機時轉速最容易受負載變動的影響；臺達VFD-V對電機轉矩的控制能力最強，三菱變頻器對電機轉矩的控制能力最弱。

在矢量控制模式下，臺達VFD-V對轉速命令的實現(xiàn)能力最強；臺達VFD-V驅動電機時轉速最容易受到負載變動的影響；西門子MM440則最不容易受到負載波動的影響；西門子MM440對電機轉矩的控制能力最強。

西門子MM440對轉速和轉矩的綜合控制能力最好；臺達VFD-V的電機轉速受到負載變動的影響最大；三菱FR-A740各項性能指標居中。

6 結論

本文構造了一個對變頻調速系統(tǒng)做性能試驗的實驗系統(tǒng)，對實驗數(shù)據(jù)進行處理和建模的計算方法，基于數(shù)學模型和性能指標進行分析比較的方法和步驟。分析結論符合實際，證明此實驗系統(tǒng)和計算方法是合理有效可信的。

［1］鄭今明.影響轉差頻率控制變頻調速系統(tǒng)性能的一些原因及其分析［J］.江西工業(yè)大學學報，1987，9（2）：1-8.

［2］廖勇，楊順昌.低損耗電壓頻率比控制的變頻調速系統(tǒng)性能仿真研究［J］.電工技術學報，1994，9（1）：30-35.

［3］王林濤.評價和測定變頻器控制的電梯運行性能的實用方法［J］.起重運輸機械，2000（5）：27-29.

［4］謝文強.基于虛擬儀器的異步電動機性能測試系統(tǒng)的研制［D］.西安：西安科技大學，2012.

［5］姜銘.轉速開環(huán)控制的感應電機變頻調速系統(tǒng)性能優(yōu)化研究［D］.太原：太原理工大學，2012.