異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)淺談

【摘 要】我國的電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)在目前都取得了較大的進(jìn)步，基于此二者之上的交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)也得到了發(fā)展，因此，異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今一個研究的熱點。異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個非線性的系統(tǒng)，它的動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度以及工作效率等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他的調(diào)速系統(tǒng)。本文主要就異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及變速方法展開研究。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)技術(shù)；交流電變頻調(diào)速技術(shù)；異步電動機(jī)；變頻調(diào)速系統(tǒng)

0.前言

我國的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及國防軍事和日常生活，都離不開以電動機(jī)為主的電力傳動系統(tǒng)。近年來，我國的電力傳動系統(tǒng)的控制性能在不斷提高，其節(jié)能水平也在不斷地進(jìn)步，而使得電力傳動系統(tǒng)的控制性和節(jié)能水平得以較大提升的關(guān)鍵就在于變頻調(diào)速技術(shù)以及變頻調(diào)速系統(tǒng)在其中的應(yīng)用。在過去，直流調(diào)速系統(tǒng)因為能夠得到良好的動態(tài)特性而得到了許多高性能傳動系統(tǒng)的親睞并在變速傳動領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位。但直流調(diào)速系統(tǒng)也面臨著一些列的問題，那就是其運(yùn)營成本較高，因為機(jī)械接觸式的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜并且制造成本較高，所需的維護(hù)及檢修費用也較高。由于直流電機(jī)運(yùn)行成本很高，所以當(dāng)要做大容量高速的機(jī)組時，就顯得不能不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求了。電動機(jī)的作用就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，所以電動機(jī)必須具有可以根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及有較高的轉(zhuǎn)換效率這兩個基本特點。尤其是電動機(jī)的調(diào)速性能，調(diào)速性能越好，就越能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，以及達(dá)到節(jié)能的目的。所以我們往往需要在電動機(jī)上裝配上控制裝置來控制電動機(jī)的運(yùn)行，這樣，控制系統(tǒng)和電動機(jī)就構(gòu)成了一個簡單的電力傳動自動控制系統(tǒng)。

直流電動機(jī)和交流電動機(jī)是電動機(jī)的兩種基本類型，交流電動機(jī)在全世界也經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，目前的交流電動機(jī)包括了同步電動機(jī)和異步電動機(jī)兩類。變頻調(diào)速是交流電機(jī)典型的高效調(diào)速方法，無論是對于異步電動機(jī)還是同步電動機(jī)，它都能夠適用。而且在交流電機(jī)采用變頻調(diào)速的時候，它既能通過調(diào)節(jié)頻率與電壓間的關(guān)系使電機(jī)保持運(yùn)行在高效區(qū)，而且還能實現(xiàn)無極調(diào)速。變頻調(diào)速之所以能成為一種理想的交流電動機(jī)調(diào)速方法，是因為它能夠明顯地改善交流電機(jī)的起動性能而且同時大幅度降低起動電流，增加了起動時的轉(zhuǎn)矩。而異步電動機(jī)又是一個高階、強(qiáng)耦合和非線性的多變量系統(tǒng)，既具有模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)的特點，又具有傳統(tǒng)PID控制精度高的特征，所以對于異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究是非常有意義的。

1.異步電動機(jī)調(diào)頻方式

1.1恒壓頻比控制方式

所謂恒壓頻比控制，就是在控制過程中，通過始終保持V/F為常數(shù)的方式來保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定，它是交流電動機(jī)一種較為簡單的控制方式。電動機(jī)的主磁通若能保持額定值不變，就能達(dá)到對異步電動機(jī)進(jìn)行理想的調(diào)速控制。因為對于異步電動機(jī)而言，若磁通太強(qiáng)，處于過勵磁狀態(tài)下的電機(jī)，其勵磁電流的過大將會導(dǎo)致鐵芯因熱損耗增大而早晨輸出效率的下降，嚴(yán)重時甚至將燒毀電機(jī)；若磁通太弱，鐵芯的利用又不夠充分，會出現(xiàn)在相同轉(zhuǎn)子電流下電磁轉(zhuǎn)矩變小，進(jìn)而減小電動機(jī)的負(fù)載能力。那么異步電動機(jī)要如何保持主磁通的恒定呢？因為異步電動機(jī)的主磁通是由定子和轉(zhuǎn)子合成磁動勢產(chǎn)生的，所以定子繞組的電動勢本質(zhì)上是定子繞組因切割旋轉(zhuǎn)磁場磁感線而產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。對三相異步電動機(jī)而言，其每相電動勢的有效值的計算公式為：

E=4.44k×f×N×Φ

式中：E—主磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值。

k—與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

f—定子頻率。

N—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)。

Φ—每極主磁通量。

而其中E和f共同決定了Φ的值，所以要想使主磁通Φ的值保持不變，只要對E和f進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂萍纯蓪崿F(xiàn)。

1.1.1基頻以下變頻調(diào)速控制的基本方式

只要主磁通Φ保持不變，電動機(jī)的負(fù)載能力就可以得到保證，所以在降低供電頻率時，可同時降低感應(yīng)電動勢，這樣就能夠使得E/f的比值為一個常數(shù)。如果電動勢E的值較高，可以通過恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式來控制，此時可近似的認(rèn)為定子相電壓U1=E，這樣可以得到U1/E的值為一個常數(shù)；若頻率較低時，可以人為地來提高定子電壓使主磁通基本保持不變。

1.1.2基頻以上變頻調(diào)速控制的基本方式

當(dāng)頻率在基頻以上進(jìn)行調(diào)速控制時，頻率的額定值會由f1N往上增高，但電壓U1卻由于受限制而最多只能保持在U1=U1N。其造成的后果就是迫使主磁通Φ隨頻率f的升高而降低，這種方式相當(dāng)于直流電動機(jī)中的弱磁升速的情況，其調(diào)速方式屬于近似的恒功率調(diào)速方式。

1.2直接轉(zhuǎn)矩控制方式

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）能夠直接實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，它能夠有效克服坐標(biāo)變換和解耦運(yùn)算的復(fù)雜程序，它是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式，通過這種方式，可以控制轉(zhuǎn)矩誤差和磁通控制誤差，并且按照一定的原則來選擇逆變器的開關(guān)轉(zhuǎn)態(tài)以控制施加在定子端的三相電壓來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，最終達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。DTC著重是通過轉(zhuǎn)矩來對轉(zhuǎn)子進(jìn)行狀態(tài)干擾而不是參數(shù)干擾，但其在于低速時的性能卻不太理想。

1.3矢量控制方式

相對于直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式，恒壓頻比控制是一種開環(huán)的控制方式，而這種開環(huán)的控制方式對于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的利用率就較低，速度動態(tài)特性也相對較差，而且在對于如加/減速度等參數(shù)進(jìn)行控制時，還要根據(jù)負(fù)載情況的不同來對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如果遇到突加負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速將無法迅速地恢復(fù)到給定的值，總而使系統(tǒng)發(fā)生振蕩現(xiàn)象。所以在對于對動態(tài)性能要求較高的應(yīng)用上，還可以采取適量控制變頻器。

還有一個問題就是轉(zhuǎn)子磁場的定向問題，因為在電流矢量從靜止坐標(biāo)變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的時候，我們必須知道靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)子磁場的定向問題可以由直接轉(zhuǎn)子磁場控制和間接法轉(zhuǎn)子磁場定向控制。所謂間接法轉(zhuǎn)子磁場定向控制，它實際上是結(jié)合電機(jī)電壓、轉(zhuǎn)速和電流信息來通過電流模型法或者電壓模型法將磁通的相位和幅值計算出來；而直接轉(zhuǎn)子磁場控制則是利用霍爾傳感器等測量，或者由磁通觀測器來進(jìn)行估計。但在實際應(yīng)用中，往往會更多地選用間接法矢量控制。對于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率矢量的控制，在保證轉(zhuǎn)子磁通大小恒定不變的前提下可根據(jù)需要的轉(zhuǎn)矩來推算轉(zhuǎn)差角頻率，以實現(xiàn)簡介磁場定向控制。

2.結(jié)語

異步電動機(jī)作為一種電器設(shè)備，它具有許許多多的優(yōu)點，比如說結(jié)構(gòu)簡單、堅固、價格低廉等。而微處理器和控制技術(shù)的飛速發(fā)展又為交流變頻調(diào)速技術(shù)在實際中的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)，所以為了實現(xiàn)節(jié)能、提高對電的利用率，進(jìn)一步研究異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)是非常有必要的。

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