在分析我国变频器发展历史的基础上，对目前我国变频器参数大量使用对电机用户造成选择困难的原因做了深入的探讨。指出了只有把变频器与电机看作传动整体，对电源形成绿色优化目标、对传动轴作性能优化，才可以得到用户满意、操作简单、控制"傻瓜"化的现代化传动系统。

1  引言

    电压型变频器、三相交流异步电机构成的现代交流传动系统，在能源紧张、驱动要求高度精确化的今天，得到了越来越普遍的应用。

    但是，变频器作为一种特殊的电源(大功率调制电源)，主要是为了适应电机的，即: 变频器与相应的传动电机配合，得到理想的、适配于负载的驱动特性; 同时变频器作为联接电机的电力电源装置，应该成为消除电网干扰源、形成绿色电源的中坚。也就是说，变频器作为一个连接电机与电源系统间的设备，应该向上对 电网电源负责，如图1所示，向下要能够对电机负责，也就是说，与电机作为一个整体，得到传动系统的理想传动特性。

图1   电压型变频器、交流异步电机传动系统原理图

    但是, 目前变频器的设计出现了让电机使用者迷茫的趋势。变频器的设计过程中的"参数"化, 好象变频器的参数越多, 变频器就越高档。其实，我认为这是一种不好的趋势。现在, 变频器的设计参数已经到了200到300个, 这不仅占用了大量的计算机资源, 而且把电机变得复杂、难于控制。

这是因为，三相交流异步电机自身是一个"自适应"系统。以图2为例。

图2     三相交流异步电机电磁转矩自适应电机负载变化示意图

    图2集中体现了不同的机械特性负载出现后，三相交流异步电机电磁转矩自适应地配合负载变化的过程。对于工作点P，系统以转速ω1运行，此时系统的电磁转矩 与总的负载转矩是相等的。假如系统不受到任何干扰，则系统能够永远运行下去。但是，实际传动系统在工作的过程中经常会遇到许多干扰因素的影响，如:电机的 端电压的波动、负载转矩的变化、电源频率的波动等等，这些波动会影响系统运行的平衡状态。因此仅仅研究系统的有无转矩相等点还不能满足实际传动的需要，还 必须研究系统在受到干扰的条件下系统的转矩平衡状态、变化趋势以及系统的负载转矩变化趋势等。当系统在某一工作点工作时，扰动的作用将会使系统的转速发生 变化，如果在扰动持续的时间内系统能够达到一新的平衡，即系统能够在新的工作点稳定运行，并且在系统的扰动消失后系统能够回到原来的工作点，在工程上认为 这样的系统在这个工作点是稳定的。

从图2中发现，P点的运行是稳定的，因为，假如P点负载转矩突然加大了ΔTmec，系统由于机械惯性，对应于P点的转速ω1不能够跳跃变化，此时系统的电磁转矩还保持在P点时的值ΔTemp，从图2上可以明显看出:

    对应于系统的动态方程: 

    J为电机(包括负载折算到转动轴上)的转动惯量; b是系统的粘性摩擦系数(N·S/m); Tem是电机产生的电磁转矩;Tcmc是系统的负载转矩; np是电机的极对数。系统只能减速来达到满足动态方程的目的。系统减速，三相异步电机的转差变大，使得电机的电磁转矩随着转速的下降而变大，在另一条负载 曲线上相交于Q点，即:TemQ=TmecQ，在扰动期间，系统将以转速ω2稳定运行于Q点;扰动消除后，负载转矩恢复到TmecP, 同样系统的瞬时转速不能够变化，电磁转矩亦不能变化，保持在Q点的电磁转矩，此时，TemQ＞TmecP，使得系统将加速，系统又回到原来的工作点P。

    三相交流异步电机这种"自适应"性是它能够在实际生产中得到普遍使用的根本原因。在使用过程中, 除了电机的容量、转矩要求用户选择外, 无须用户"动脑筋"。这种方便的、自适应功能正由于变频器的"干预"而变得越来越削弱。

    三相交流异步电机的变频器驱动, 由于变频器的参数复杂化, 给用户带来了很大的烦恼。因为上百个的针对电机、要求用户选择的参数，无异于对用户的"考问", 事实上能够把这么多的参数弄明白的用户, 确实是寥寥无几，因为能够把这么多参数弄明白的确实已经是"电机专家"了。

现在以变频器常用的两个参数为例，说明变频器参数对三相交流异步电动机运行带来的"麻烦"。

(1) 跳频点与跳频宽度

    变频器实际上是一高频调制电源，其输出中含有大量的谐波成分。而三相交流异步电动机以不同的频率运行时，可能会激发传动系统的固有频率，从而引起系统的共 振。处于共振状态下的传动系统，会对系统产生严重的不良影响，甚至会损害系统。在构成传动系统上，在工频段，往往对应有两个共振点，但发生共振的具体频率 难于精确计算。在此情况下，作为电机驱动控制的变频器，把这难点"移交"给了用户，即:设置了一个频率点fo，同时设置了该频率点的跨越宽度Δfo，而要 求用户来选择fo、Δfo。试想一下，作为普通用户如何能够选择？而对于变频器生产厂家会讲:我们可以帮助用户设置。事实上这是不现实的。因为如果没有现 场工作经验，如何能够调整出理想的fo、Δfo？

(2) 转矩提升(电压提升)

    大多数的变频器在参数设计的过程中，提出了所谓的低频转矩提升(电压提升)。这个参数对于用户来说也是非常"麻烦"的。提升少了，系统难于启动，提升多 了，系统又会出现相关的保护。这时，作为电机驱动控制的变频器，把这难点又"移交"给了用户，即:是否设置此功能，及转矩提升幅度量值。同样，把选择的权 交给了用户。作为用户，又如何知道这功能的选择呢？

尤其在目前的变频器设计过程中，某些变频器生产厂家大打"深奥概念"概念，甚至有不把用户"灌"糊涂，就势不罢休之态，诸如转差频率控制、矢量控制、直接 转矩控制、空间矢量、电压空间矢量、零频转矩、无速度传感器等等，某种程度上也造成了用户对变频器选择的难度。事实上，用户对此不感兴趣，也没有必要对此 感兴趣，他们往往感兴趣的是传动系统的电流、对负载的转矩波动、系统有无转速振荡点、启动过程的平稳性、传动系统的鲁棒性、从电源侧表现的相关参数，如: 相对于电源的电流、电压、功率因数、谐波含量、对外部系统的干扰、外部系统对传动系统的干扰等等，而这些用户希望得到的这些性能，变频器设计过程中却考虑 得不多。

2  我国变频器设计的发展历史

    80年代初期，我国在大量引进变频器的同时，有的企业与高等院校、科研院所就合作研究过电压型变频器。到80年代末, 许多厂家就研究出了样机。如南京调速电机厂与南京工学院自控系合作研究的JP系列变频器就出现过系列化的产品。这是由于国内受电力开关器件的限制，功率一 直得不到发展, 国外在开关器件模块化的同时, 我国还在使用美国的Motorola公司的MJ系列分立器件, 这样在器件的参数对称性、体积、散热、保护等方面就比较薄弱。

    早期研究开发的电压型变频器, 基本上都是由模拟器件及LSI器件组成。它一般有以下几个部分构成:速度给定、函数发生器(控制规律)、三角波(载波)发生器、正弦波(调制波)发生器、 比较电路、PWM整形电路、分相电路、主功率电路(整流、Link电路、逆变电路)、保护电路、人机接口电路等。

    连接PWM与主功率电路间的驱动电路、驱动所需的最少四路独立电源等。

    但是在控制方面，基于电源及控制的方面做了大量的工作。注意，在做这些工作的同时，有的基本上没有考虑到电机的因素。在设计的过程中，重点放在了体现控制 规律的函数发生器、载波、调制波、PWM整形电路、分相电路上，对于保护电路、人机接口电路等都花费了大量的精力。

    在这样的模拟方法为主的变频器中, 共模干扰是非常难于控制的, 温度变化对于变频器的输出频率漂移也不好控制。最大的不足是在变频器的设计过程中, 追求的是变频器输出的电源中满足的SPWM程度, 全然不以电机的优化运行为念。殊不知，即使是最好的SPWM经过分相及插入死区时间, SPWM已经面目全非了。更何况, 即使是正弦波，对于集中绕组的三相异步电机未必是最好, 因为在SPWM的激励下,Y-系列电机由于结构的特点, 也会产生空间齿谐波。

    90年代初期，台湾许多电子生产厂家以SKD、CKD等形式在国内形成了大量的以CPU作为核心的数字化的变频器，CPU主要是8位机及16位机为其主 流。此时的技术还是以SPWM为主，但是PWM主要是以查表为主，按照不同的精度要求，变频器可以自带各种不同的SINE函数表格。这样，各变频器厂家用 节约下的CPU资源，开始进行所谓的参数化设计、变频器内部所谓电流、转矩、转速、功率因数等的软测量。在控制方法上，主流以转差频率控制(Slip Control)、矢量控制(Transvecter Control)等。

    在这个过程中，电机设计的规范性，使得变频器的设计遇到了意想不到的障碍，因为用户不可能改造买回来的电机。此时限于CPU的运算速度，参数不是很多。

    本世纪初，以DSP为主的全数字化的变频器显现在国内市场。在要求异步电机快速响应的同时，对于电机模型的描述就大为复杂。而变频器厂家认为，参数越多，对于电机的描述就越精确，这实际上已经陷入了一个误区。

3  电机设计过程中的优化目标函数及其对驱动电源的要求

    在电机设计过程中，对于一般的鼠笼电机，其定子是按一定规律集中摆放的绕组，它的转子则是有一些导条的、倾斜一些角度的一体化的鼠笼。在电机设计的过程中，从驱动角度，往往考虑的角度有:

3.1 电机的效率

    电机的效率是电机按照铭牌数据工作，在额定负载条件下的效率，而且非额定点的效率可能比电机的额定效率低得多，变频器的输出往往都不在额定工作点，故变频器与三相交流异步电机相结合形成的传动系统的效率并不理想。

3.2 电机的损耗

    对于电机设计来说，经常考虑的电机中的损耗有电机的铜损耗、电机的铁损耗、摩擦损耗、冷却风扇损耗等。

(1) 电机的铜损耗

    电机的铜损耗是由定子绕组的电阻、鼠笼导条的电阻通过电流而产生;电机的铁损耗包括磁路的磁滞损耗、铁芯的涡流损耗等组成。磁路的磁滞损耗是铁芯被交流电 流磁化而且必须以两倍于电源频率对电机进行去磁的过程中产生。磁化与去磁都需要能量，电机从变频器吸收功率来补偿磁滞损耗。磁路的磁滞损耗随电机运行的频 率及磁感应的增加而非线性变化。

(2) 铁芯的涡流损耗

    铁芯的涡流损耗是由于磁场在铁芯和导线中感应出电压而产生，在此感应电压的作用下在铁芯中产生环流而形成，在电机设计过程中采用硅钢片人为地切断涡流的流通路径达到减少涡流损耗的目的。涡流与电机的运行频率、电源电压、传动系统的负载、转差率等有关。

(3) 摩擦损耗

    摩擦损耗是由于电机的轴承所产生，一般与电机的转动速度(ωr)有关。

(4) 冷却风扇损耗

    冷却风扇损耗就是电机的冷却功率。

在电机的设计过程中，这些因素是必须考虑的，一旦设计出电机，电机生产厂家就保证在额定工作条件下得到比较佳的效果。

4  变频器与电机的简单结合

    变频器与普通三相异步电机的结合，从根本上改变了传统设计电机的工作条件，原来考虑的对于电机的优化运行条件可能都不会存在。因为电机是由变频器电源驱动 的。变频器的大量使用，形成了传动系统结构上的根本革新，无论从传动精度、控制方法还是从快速响应，均有对交流传动的普遍应用形成了十分很有利的条件;但 是也形成了很多问题，具体体现在:

    正如上面所说, 我国Y-系列中小型电机的设计是以380V、50Hz为激励的，在谐波的消除和补偿方面，也是以50Hz为基准的; 一旦使用变频器电源，则从变频器的输出角度看，含有大量谐波, 这些谐波对电机来说，是无法控制的, 从电机的角度讲, 相当于叠加了另一激励源，这非常不利, 对电网而言, 存在大量的污染源。

    变频器中的开关状态的选取是从某种优化的角度得到的，这个优化的前提是电机是理想的(或满足电机设计的假设条件)，一旦与实际电机结合，出现电机运行性能 变差，同时引起变频器波形的畸变，从而导致变频器输出谐波的大量增加，形成一恶性循环; 目前研究发现，变频器输出电压与电机绕组间的反射波电压叠加后出现的电压严重时可达变频器额定输出电压的2～5倍，经常造成电机的绕组烧毁。

    电源激励谐波在电机绕组中产生谐波电流，此电流沿电机极面分布产生空间谐波磁势，形成新的电谐波，这些谐波会对电路中的寄生电容或寄生电感进行激励，与主电路形成振荡网络，造成电路、传动系统的不稳定; (电谐波→空间磁势→感应谐波、电谐波……)。

    定子侧、转子侧的电流、电压振荡，引起了电磁转矩的振荡，结合到传动系统的机械动力学方程，引起机械传动系统转速的变化，从而影响到传动系统的加工精度。

    变频器输出中的大量谐波与电机谐波磁势相互作用，形成宽频域的谐波转矩，可能会激发了传动系统的共振点，引起传动系统的损坏。

    把变频器、三相异步电机作为两个独立的对象而组成驱动系统是非常不明智的，必须打破这种各自为政的格局。

5  控制上以电机输出量为优化目标的传动系统设计方法

    针对以上提出的把变频器、三相异步电机作为两个独立的对象的考虑方法，笔者认为应该把二者有机结合在一起。

    把二者有机结合在一起的含义有两点: 从电源看传动系统是一个整体; 而从传动轴负载端看传动系统依然是一整体。

    从设计角度看，应该把传动系统对于电源的一些衡量指标作为主要的优化目标，如:系统对电源系统的影响、传动系统的功率因数、传动系统对电源产生的谐波、传动系统的效率等。

从传动轴上看，传动系统应该把传动系统的相关量，如:转矩的波动、动态响应参数、传动系统对负载干扰的鲁棒性等作为优化选择目标。

6  结束语

    把问题交给用户，采用参数化来回避问题的设计思路应该舍弃。为用户提供一种简单、智能化、"傻瓜"型的变频器，由变频器与电机共同形成高性能的一体化的传动系统是大势所趋。

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