交流异步电机变频调速系统性能实验的比较研究

（上海建桥学院机电学院，上海 201315）

1 引言

异步电动机应用广泛，变频器普及后，很多电机实现了变频调速。变频器的品种、性能、参数设置日趋增多和高端化复杂化。不管是通用的变频器，还是专用的变频器，对于用户来说，如何正确选择、如何验证厂家的性能说明，都是相当困难的。对变频器的性能验证和确认，一直没有得到很好的研究，尤其是把变频器和具体的电机合在一起看做一个系统进行研究。较早的研究［1-3］针对若干具体的问题和应用，最新的研究见文献［4-5］，文献［4］构造了一个针对变频器性能的计算机测试系统，文献［5］研究了变频调速系统性能的优化。本文的研究中把变频器和电机看做一个系统进行实验，对实验数据进行处理得到了两输入两输出的数学模型，通过对此模型参数的分析便可以确定和比较多种变频调速系统的性能。此方法简单易操作，研究的结论也证明了此方法的可行性和可信性。

2 实验系统结构和组成

本实验系统包括3种0.75 kW的变频器（西门子 MM440，三菱 FR-A740，台达 VFD-V），1台0.25 kW的交流异步电机，1台0.6 A的磁粉制动器，1只Omron旋转编码器、1套数据采集卡、1台可调直流稳压电源。电机、磁粉制动器、编码器同轴连接，由3种变频器不同时分别驱动电机。工作时，由编码器的输出信号借助于数据采集卡测量转速，由变频器的模拟量输出端子将电动机的工作电流送到数据采集卡，从而测量电机电流，由可调直流电源可以设定磁粉制动器的工作电流，由霍耳传感器可以进一步检测磁粉制动器的工作电流。实验系统的结构图如图1所示。

图1 交流电机变频调速性能实验系统的结构Fig.1 Experiment system structure of converter drive of induction motor

3 实验内容与实验数据

在实验过程中，针对多种频率命令信号（f/Hz）和负载电流给定信号（IL/A）（以磁粉制动器工作电流的形式表示），测量电机稳定工作时的电机转速（n/r·min-1）和电机电流（I/A），得到下面实验数据。表1～表6中的数据是电机转速和电机电流的测量值，第1列为负载电流给定，第1行为频率给定。

表1 西门子变频器MM440在恒压频比控制模式下的实验数据Tab.1 Experiment data of Siemens converter MM440 drive in the constant V/f control mode

表2 西门子变频器MM440在矢量控制模式下的实验数据Tab.2 Experiment data of Siemens converter MM440 drive in the vector control mode

表3 三菱变频器FR-A740在恒压频比控制模式下的实验数据Tab.3 Experiment data of Mitsubish converter FR-A740 drive in the constant V/f control mode

表4 三菱变频器FR-A740在矢量控制模式下的实验数据Tab.4 Experiment data of Mitsubish converter FR-A740 drive in the vector control mode

表5 台达变频器VFD-V在恒压频比控制模式下的实验数据Tab.5 Experiment data of Delta converter VFD-V drive in the constant V/f control mode

表6 台达变频器VFD-V在矢量控制模式下的实验数据Tab.6 Experiment data of delta converter VFD-V drive in the vector control mode

4 交流异步电机变频调速系统输入输出模型

基于Matlab的多元回归函数，分别建立转速和电机电流的回归模型，然后综合起来得到两输入两输出的3种变频调速系统的6个模型。

西门子变频器MM440恒压频比控制模式下的输入输出回归模型

回归偏差最大值为

西门子变频器MM440矢量控制模式下的输入输出回归模型

回归偏差最大值为

三菱变频器FR-A740恒压频比控制模式下的输入输出回归模型

回归偏差最大值为

三菱变频器FR-A740矢量控制模式下的输入输出回归模型

回归偏差最大值为

台达变频器VFD-V在恒压频比控制模式下的输入输出回归模型回归偏差最大值为

台达变频器VFD-V在矢量控制模式下的输入输出回归模型

回归偏差最大值为

基于Matlab的多元线性回归程序举例如下：

5 基于输入输出模型的性能分析和比较

在以上输入输出模型中，系数矩阵集中反映了变频器的整体性能指标。设系数矩阵形式为

通过对输入输出模型的分析，可以看出此矩阵中各元素所具有的物理意义如下：

k11反映了交流调速系统中变频器对给定转速命令的实现能力，此指标越大性能越好；

k12反映了交流调速系统中负载的变动对电机转速的影响，此指标绝对值越小性能越好；

k22反映了交流调速系统中变频器对电机转矩的控制能力，此指标越大表示性能越好；

k21反映了交流调速系统中转速的变动对电机输出转矩的影响，此指标绝对值越小性能越好。

表7、表8列出了以上输入输出模型中系数矩阵各元素的对比情况。

表7 恒压频比控制模式下3种变频器的性能比较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种变频器的性能比较Tab.8 Property comparison of three converter drive system in the vector control mode

根据以上各系数的物理意义和表7、表8的数据，可以近似得到下列结论：

在恒压频比控制模式下，西门子MM440对转速命令的实现能力最强；台达VFD-V对转速命令的实现能力最弱；台达VFD-V驱动电机时转速最容易受负载变动的影响；台达VFD-V对电机转矩的控制能力最强，三菱变频器对电机转矩的控制能力最弱。

在矢量控制模式下，台达VFD-V对转速命令的实现能力最强；台达VFD-V驱动电机时转速最容易受到负载变动的影响；西门子MM440则最不容易受到负载波动的影响；西门子MM440对电机转矩的控制能力最强。

西门子MM440对转速和转矩的综合控制能力最好；台达VFD-V的电机转速受到负载变动的影响最大；三菱FR-A740各项性能指标居中。

6 结论

本文构造了一个对变频调速系统做性能试验的实验系统，对实验数据进行处理和建模的计算方法，基于数学模型和性能指标进行分析比较的方法和步骤。分析结论符合实际，证明此实验系统和计算方法是合理有效可信的。

［1］郑今明.影响转差频率控制变频调速系统性能的一些原因及其分析［J］.江西工业大学学报，1987，9（2）：1-8.

［2］廖勇，杨顺昌.低损耗电压频率比控制的变频调速系统性能仿真研究［J］.电工技术学报，1994，9（1）：30-35.

［3］王林涛.评价和测定变频器控制的电梯运行性能的实用方法［J］.起重运输机械，2000（5）：27-29.

［4］谢文强.基于虚拟仪器的异步电动机性能测试系统的研制［D］.西安：西安科技大学，2012.

［5］姜铭.转速开环控制的感应电机变频调速系统性能优化研究［D］.太原：太原理工大学，2012.