（上海建橋?qū)W院機(jī)電學(xué)院，上海 201315）

1 引言

異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，變頻器普及后，很多電機(jī)實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速。變頻器的品種、性能、參數(shù)設(shè)置日趨增多和高端化復(fù)雜化。不管是通用的變頻器，還是專用的變頻器，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，如何正確選擇、如何驗(yàn)證廠家的性能說(shuō)明，都是相當(dāng)困難的。對(duì)變頻器的性能驗(yàn)證和確認(rèn)，一直沒(méi)有得到很好的研究，尤其是把變頻器和具體的電機(jī)合在一起看做一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。較早的研究［1-3］針對(duì)若干具體的問(wèn)題和應(yīng)用，最新的研究見(jiàn)文獻(xiàn)［4-5］，文獻(xiàn)［4］構(gòu)造了一個(gè)針對(duì)變頻器性能的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，文獻(xiàn)［5］研究了變頻調(diào)速系統(tǒng)性能的優(yōu)化。本文的研究中把變頻器和電機(jī)看做一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到了兩輸入兩輸出的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)此模型參數(shù)的分析便可以確定和比較多種變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能。此方法簡(jiǎn)單易操作，研究的結(jié)論也證明了此方法的可行性和可信性。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括3種0.75 kW的變頻器（西門子 MM440，三菱 FR-A740，臺(tái)達(dá) VFD-V），1臺(tái)0.25 kW的交流異步電機(jī)，1臺(tái)0.6 A的磁粉制動(dòng)器，1只Omron旋轉(zhuǎn)編碼器、1套數(shù)據(jù)采集卡、1臺(tái)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、編碼器同軸連接，由3種變頻器不同時(shí)分別驅(qū)動(dòng)電機(jī)。工作時(shí)，由編碼器的輸出信號(hào)借助于數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量轉(zhuǎn)速，由變頻器的模擬量輸出端子將電動(dòng)機(jī)的工作電流送到數(shù)據(jù)采集卡，從而測(cè)量電機(jī)電流，由可調(diào)直流電源可以設(shè)定磁粉制動(dòng)器的工作電流，由霍耳傳感器可以進(jìn)一步檢測(cè)磁粉制動(dòng)器的工作電流。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 交流電機(jī)變頻調(diào)速性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Experiment system structure of converter drive of induction motor

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)多種頻率命令信號(hào)（f/Hz）和負(fù)載電流給定信號(hào)（IL/A）（以磁粉制動(dòng)器工作電流的形式表示），測(cè)量電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速（n/r·min-1）和電機(jī)電流（I/A），得到下面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1～表6中的數(shù)據(jù)是電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流的測(cè)量值，第1列為負(fù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Experiment data of Mitsubish converter FR-A740 drive in the vector control mode

表5 臺(tái)達(dá)變頻器VFD-V在恒壓頻比控制模式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Experiment data of Delta converter VFD-V drive in the constant V/f control mode

表6 臺(tái)達(dá)變頻器VFD-V在矢量控制模式下的實(shí)驗(yàn)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(jī)變頻調(diào)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(zhuǎn)速和電機(jī)電流的回歸模型，然后綜合起來(lái)得到兩輸入兩輸出的3種變頻調(diào)速系統(tǒng)的6個(gè)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(tái)達(dá)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(tái)達(dá)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(biāo)。設(shè)系數(shù)矩陣形式為

通過(guò)對(duì)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(diào)速系統(tǒng)中變頻器對(duì)給定轉(zhuǎn)速命令的實(shí)現(xiàn)能力，此指標(biāo)越大性能越好；

k12反映了交流調(diào)速系統(tǒng)中負(fù)載的變動(dòng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，此指標(biāo)絕對(duì)值越小性能越好；

k22反映了交流調(diào)速系統(tǒng)中變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制能力，此指標(biāo)越大表示性能越好；

k21反映了交流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的變動(dòng)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，此指標(biāo)絕對(duì)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(duì)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(jié)論：

在恒壓頻比控制模式下，西門子MM440對(duì)轉(zhuǎn)速命令的實(shí)現(xiàn)能力最強(qiáng)；臺(tái)達(dá)VFD-V對(duì)轉(zhuǎn)速命令的實(shí)現(xiàn)能力最弱；臺(tái)達(dá)VFD-V驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速最容易受負(fù)載變動(dòng)的影響；臺(tái)達(dá)VFD-V對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制能力最強(qiáng)，三菱變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制能力最弱。

在矢量控制模式下，臺(tái)達(dá)VFD-V對(duì)轉(zhuǎn)速命令的實(shí)現(xiàn)能力最強(qiáng)；臺(tái)達(dá)VFD-V驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速最容易受到負(fù)載變動(dòng)的影響；西門子MM440則最不容易受到負(fù)載波動(dòng)的影響；西門子MM440對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制能力最強(qiáng)。

西門子MM440對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的綜合控制能力最好；臺(tái)達(dá)VFD-V的電機(jī)轉(zhuǎn)速受到負(fù)載變動(dòng)的影響最大；三菱FR-A740各項(xiàng)性能指標(biāo)居中。

6 結(jié)論

本文構(gòu)造了一個(gè)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)做性能試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和建模的計(jì)算方法，基于數(shù)學(xué)模型和性能指標(biāo)進(jìn)行分析比較的方法和步驟。分析結(jié)論符合實(shí)際，證明此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和計(jì)算方法是合理有效可信的。

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