異步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制方式分析

馮彩絨

（重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 400053）

0 引言

異步電動機(jī)的調(diào)速可通過變頻、變極對數(shù)和變轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)。本文只討論異步電動機(jī)的變頻調(diào)速策略。自上世紀(jì)90年代以來，近代交流調(diào)速步入以變頻調(diào)速為主的發(fā)展階段，其間，由于各種新型電力電子器件的支持，使交頻調(diào)速在低壓(380V)中小容量(200KW以下)方面取得了較大發(fā)展[1,2]。通常，為了充分發(fā)揮電動機(jī)的性能，應(yīng)保持定子磁鏈幅值為額定值。當(dāng)定子電流頻率fs正較高時，感應(yīng)電勢Es的有效值就較大，可以認(rèn)為定子相電壓有效值U1＝Es。由此，可以通過控制使u/f恒定，使磁通恒定。要恒U/f控制，就必須使頻率和輸出電壓同時改變，這就是變壓變頻，即VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)調(diào)速技術(shù)。

1 控制方式

1.1 SPWM控制

PWM (Pulse Width Modulation)控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，它是基于采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。由此，可對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效獲得所需的波形。

1964年A．Schonung和H．Stemmler把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在20世紀(jì)80年代以前一直未能實現(xiàn)。隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。

如今，工程上采用的主要是SPWM，它是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的P咖波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。SPWM控制不僅可以實現(xiàn)變壓變頻，而且能削弱或消除有害的高次諧波。

SPWM方案主要有電壓正弦PWM、電流正弦PWM：電壓正弦PWM是通過調(diào)節(jié)逆變器輸出脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸出平均電壓，使其等效為正弦波形。電流正弦PWM是為了改善逆變輸出電流波形提出的電流閉環(huán)控制方式，常用方法是電流滯環(huán)SPWM，就是以一個理想的電流正弦波形為標(biāo)準(zhǔn)，與實際電流波形作比較，實際電流圍繞理想電流在滯環(huán)容差范圍內(nèi)作往復(fù)振動，使輸出電流近似正弦波形。

早期通用變頻器多為SPWM控制方式。其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，性能、穩(wěn)定性差。

對于SPWM控制的三相PWM逆變電路來說，在調(diào)制度為最大值1時，輸出相電壓的基波幅值為Ud/2 (Ud為直流側(cè)電壓)，輸出線電壓基波幅值為(√—3 /2) Ud，即直流電壓利用率僅為0.866。為了解決這個問題，人們想到了空間矢量PWM控制技術(shù)。

1.2 空間電壓矢量PWM

空間電壓矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)，又稱磁通正弦PWM控制技術(shù)。電壓SPWM和電流SPWM是從電源角度出發(fā)，分別追求電壓和電流的正弦，而SVPWM則是從電機(jī)的角度出發(fā)，把電動機(jī)和逆變器看成一個整體，著眼于如何使電動機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，因為異步電動機(jī)在理想狀態(tài)下運(yùn)行時的磁鏈軌跡即為圓形。

根據(jù)三相逆變器的原理，逆變器共有8種工作狀態(tài)。假設(shè)上橋臂導(dǎo)通用“1”，下橋臂導(dǎo)通用“0”表示，那么這8個狀態(tài)就對應(yīng)著8個數(shù)字量，將它們定義為8個基本電壓矢量。

可見，空間電壓矢量的方向即定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向。因此，利用上述的8個電壓矢量的線性組合，就可以得到更多的與其相位不同的新的電壓矢量，最終構(gòu)成一幅等幅的不同相位的電壓空間矢量圖，疊加形成盡可能接近圓形旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量軌跡，進(jìn)而使定子磁鏈旋轉(zhuǎn)軌跡近似圓形。

將這8個電壓矢量首尾相連形成的正六邊形就是SVPMN方式所輸出的最大幅值電壓矢量端點的軌跡，設(shè)此電壓矢量最大幅值為u耐。正六邊形的內(nèi)切圓則為要獲得的接近圓形旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量軌跡，內(nèi)切圓半徑為逆變器輸出三相電壓的最大相電壓峰值，設(shè)為Uout。由逆變器結(jié)構(gòu)知，Uref等于2/3UDC，UDC是直流側(cè)電壓。這樣，可得Uout等于√—3 /3UDC，而SPWM方式時，輸出相電壓的基波幅值為Ud/2。于是有：

可見，SVPWM比SPWM方式的直流電壓利用率提高了15.47%。

應(yīng)用SVPWM控制方式的典型機(jī)種有1989年前后進(jìn)入中國市場的FUJI(富士)FRN5000G5／P5、SANKEN(三墾)MF系列等。

前面所討論的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都是對控制量的幅值進(jìn)行靜態(tài)控制，比起直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能，遜色不少。矢量控制方式的出現(xiàn)，解決了這個問題。

1.3 矢量控制

矢量控制基于轉(zhuǎn)子磁場定向，它是將一個靜止坐標(biāo)系中的三相交流磁場系統(tǒng)和一個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流磁場系統(tǒng)通過一個靜止坐標(biāo)系中的兩相交流系統(tǒng)互相等效變換，從而實現(xiàn)對異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別控制。將用于控制交流調(diào)速的給定信號分解為勵磁電流信號iM和轉(zhuǎn)矩電流信號iT，分別通入假想的兩個互相垂直的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流繞組。將兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流信號iM和iT作為基本控制信號，經(jīng)過Park逆變換轉(zhuǎn)換為靜止坐標(biāo)系中的兩相交流信號i和iβ，再經(jīng)過Clark逆變換轉(zhuǎn)換為靜止坐標(biāo)系中的三相交流信號iA、iB、iC去控制逆變電路。對于反饋，是將傳感器得到的靜止坐標(biāo)系中三相交流數(shù)據(jù)經(jīng)Clark變換為靜止坐標(biāo)系中的兩相交流信號，再經(jīng)過Park變換轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中直流信號來修正基本控制信號iM和iT。通過上面的思想對非線性、強(qiáng)耦合的異步電動機(jī)進(jìn)行線性近似，將其轉(zhuǎn)矩和磁鏈完全解耦，實現(xiàn)矢量控制。

目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種[3,4]。德國西門子開發(fā)的6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制和伺服控制。

雖然矢量控制使異步電動機(jī)具備了與直流電動機(jī)相似的特性，但是異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，而且電動機(jī)參數(shù)對其性能影響較大，這些使得矢量控制的實現(xiàn)難以達(dá)到預(yù)期效果。為了消除矢量控制的這些弊端，直接轉(zhuǎn)矩控制方式應(yīng)運(yùn)而生。

1.4 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是目前廣為研究的電機(jī)控制理論之一，已在異步機(jī)上取得了成功。由于該理論直接對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，避免了矢量控制中計算量大、效果易受電動機(jī)參數(shù)變化影響的缺點，使異步電動機(jī)的瞬態(tài)性能得到了顯著的改善。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用定子磁場定向，直接在定子坐標(biāo)系下計算和控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，將實際轉(zhuǎn)矩、磁鏈分別與給定值比較，形成轉(zhuǎn)矩、磁鏈的閉環(huán)控制。

為了充分發(fā)揮電動機(jī)的性能，應(yīng)保持定子磁鏈幅值為額定值，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。因此，可以通過改變θ來改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)速。具體辦法就是通過改變電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，使其走走停停，從而使θ不斷變化，達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制具有理論清晰，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)迅速，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，缺點是轉(zhuǎn)矩脈動較大。

采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻器以ABB公司推出的ACS600、ACS800等系列為代表。

盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究，如：磁通的準(zhǔn)確估計或觀測、無速度傳感器的控制方法、電機(jī)參數(shù)的在線辨識、極低轉(zhuǎn)速包括零轉(zhuǎn)速下的電機(jī)控制、電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略和多電平逆變器的高性能控制策略等。

2 各種控制方式的聯(lián)系與區(qū)別

前面提到的各種控制方式是有內(nèi)在聯(lián)系的。首先，由于在實際控制中要保持定子磁鏈幅值恒定，SPWM、SVPWM、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制本質(zhì)上也都屬于變頻變壓，只不過矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是改變電壓矢量的幅值和轉(zhuǎn)速來體現(xiàn)變頻變壓的。其次，由于各種控制方式無一例外的要通過逆變電路完成對異步電動機(jī)的控制，因此，異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的核心控制算法幾乎最終都是通過PWM方式實現(xiàn)，特別在基于DSP的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，很多都是最終由SVPWM方式實現(xiàn)，如直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的SVM-DTC方法。再有，有些控制方式有著本質(zhì)聯(lián)系，如：SPWM和SVPM其實是同一控制方程在不同的附加假想條件下的兩個不同的特解。

各種控制方式之間的區(qū)別是顯而易見的，由前幾節(jié)介紹的基本原理中便可知曉。后一種控制方式幾乎都是為了解決前一種控制方式產(chǎn)生的問題而提出來的。由于各種控制方式的特點、性能不同，其應(yīng)用場合也不相同，后起的控制方式并沒有完全取代先前的控制方式。如在對系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)速性能要求不高的場合，為節(jié)約成本，通常采用SPWM或SVPWM控制方式，而在需要對系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)速控制的場合可采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。由此可見，以上各種控制方式既相互聯(lián)系又相互區(qū)別，既一脈相承又各有千秋。

3 結(jié)束語

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制方式到現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)完善，雖然不排除會有新的控制方式提出，但是當(dāng)今的發(fā)展多是在原有控制方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和提高。智能控制如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制甚至專家系統(tǒng)以及滑模變結(jié)構(gòu)控制等現(xiàn)代控制理論的引入為原有的控制方式的發(fā)展增添了新的活力，對于改善系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化、綠色化起到了很大作用。國內(nèi)外許多學(xué)者都在此方向上有了新的進(jìn)展，各種混合控制方式不斷出現(xiàn)。此外，控制領(lǐng)域的其他新技術(shù)如現(xiàn)場總線、自適應(yīng)控制、遺傳算法、無傳感器技術(shù)等，也將引入到傳統(tǒng)的控制方式中，給變頻調(diào)速的控制技術(shù)帶來重大的影響。

由此可以預(yù)見，怎樣將智能控制、現(xiàn)代控制理論及其它新技術(shù)、新成果應(yīng)用到現(xiàn)有控制方式中將成為異步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制方式發(fā)展的主要方向。

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