交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略綜述

袁淑梅（京能（赤峰）能源發(fā)展有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

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交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略綜述

袁淑梅
（京能（赤峰）能源發(fā)展有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

摘 要：交流異步電動機(jī)調(diào)速相比直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)更加困難，本文通過建立交流異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)以前的基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的控制策略，介紹3種異步電動機(jī)變壓變頻（VVVF）調(diào)速系統(tǒng)的控制策略。將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用在交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。現(xiàn)代控制策略和先進(jìn)控制算法在交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中將會發(fā)揮越來越大的作用。

關(guān)鍵詞：異步電動機(jī)；變壓變頻調(diào)速；控制策略

1 前言

交流異步電動機(jī)調(diào)速工具包括轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、串電阻調(diào)速、降壓調(diào)速、串級調(diào)速、雙饋電動機(jī)調(diào)速、變極對數(shù)以及變壓變頻調(diào)速等．這里面，唯一能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的調(diào)速范圍、高效率和良好的動態(tài)性能的是變壓變頻調(diào)速，變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般叫做變頻調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)用變壓變頻調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率圍繞轉(zhuǎn)速變動，而且通過技術(shù)改造可以達(dá)到高動態(tài)性能，性能比肩直流調(diào)速系統(tǒng)．變壓變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展過程中，也出現(xiàn)了不少有特點(diǎn)的應(yīng)用，而且伴隨著現(xiàn)代控制理論的引進(jìn)，變壓變頻調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的水平，這篇文章將對異步電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速控制技術(shù)做細(xì)致的討論及分析。

2 有關(guān)穩(wěn)態(tài)模型的控制方法

調(diào)速的核心目標(biāo)是調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，之前的交流調(diào)速系統(tǒng)是根據(jù)異步電動機(jī)的T型等效電路構(gòu)建電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，無法達(dá)到電磁轉(zhuǎn)矩的高效控制，從而不能實(shí)現(xiàn)很好的動態(tài)性能，可是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在那些如風(fēng)機(jī)和水泵等不要求高動態(tài)性能的工業(yè)應(yīng)用得到廣泛使用。

（1）轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是調(diào)整電壓及頻率，在確保氣隙磁通量不變的基礎(chǔ)上，利用調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的結(jié)果［1］。轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比調(diào)節(jié)由于不能調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，動態(tài)性能不好，調(diào)速范圍較窄。

（2）轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比的前提下達(dá)到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，當(dāng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)電壓頻率迅速提高時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速不能立即提高，所以轉(zhuǎn)差頻率提高，電磁轉(zhuǎn)矩提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，這也是轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)的基本原理．它可以對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，動靜態(tài)性能均優(yōu)于轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比調(diào)節(jié)。

3 根據(jù)動態(tài)模型的傳統(tǒng)控制的調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)根據(jù)異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式和穩(wěn)態(tài)等效電路，只能夠在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下保持氣隙磁通不變，但是動態(tài)性能差．要實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的高動態(tài)調(diào)節(jié)，可以根據(jù)異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型來控制磁通和電磁轉(zhuǎn)矩．當(dāng)代最成熟的控制策略是矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制，它根據(jù)交流電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，在交流調(diào)速應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，所以達(dá)到了磁鏈和速度的完美解耦調(diào)節(jié)，反饋線性化解耦調(diào)節(jié)獲得了迅速發(fā)展和推廣。

（1）矢量調(diào)節(jié)。矢量調(diào)節(jié)的核心思路是把定子電流分解成勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，矢量控制系統(tǒng)能夠成功的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈不變，因此應(yīng)該檢測轉(zhuǎn)子磁鏈信號．之前我們嘗試根據(jù)磁鏈傳感器來測得轉(zhuǎn)子磁鏈，可是存在大量工藝和技術(shù)上的難題，并且在低速時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈測量獲得的脈動分量太大．在現(xiàn)代的矢量控制中廣泛使用軟測量的工具，根據(jù)檢測電壓、電流和轉(zhuǎn)速信號來基于轉(zhuǎn)子磁鏈模型得到磁鏈的幅值以及相位。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控調(diào)節(jié)。矢量控制在理論上達(dá)到了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦調(diào)節(jié)，可是繁復(fù)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測困難制約了矢量控制的廣泛使用．Depenbrock創(chuàng)立了直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它通過雙位式控制器直接調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，通過控制器輸出從換相表中取得一個(gè)恰當(dāng)?shù)碾妷菏噶拷o電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

（3）反饋線性化解耦調(diào)節(jié)。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)都必須維持磁鏈不變，不然會有非線性耦合，反饋線性化解耦調(diào)節(jié)能夠在磁鏈變化的基礎(chǔ)上完成轉(zhuǎn)速和磁鏈的準(zhǔn)確動態(tài)解耦。它根據(jù)非線性狀態(tài)反饋和非線性變換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)解耦和全局線性化，包括微分幾何反饋線性化以及直接反饋線性化。

4 交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)代化控制調(diào)節(jié)方法

（1）滑模變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的一種控制方法就是滑模變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，它的核心觀點(diǎn)是使用不連續(xù)的控制方法讓系統(tǒng)依據(jù)期望的相軌跡變化．滑模變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)結(jié)合矢量調(diào)節(jié)和直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛采用。

（2）自適應(yīng)調(diào)節(jié)。異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)很清晰，但有些參數(shù)例如定轉(zhuǎn)子電阻和電感與電機(jī)的工作情況關(guān)系密切，但是矢量調(diào)節(jié)和直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的動態(tài)性能受參數(shù)變動影響很大，因此自適應(yīng)調(diào)節(jié)在交流調(diào)速系統(tǒng)的使用中得到密切關(guān)注。自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用有模型參考自適應(yīng)調(diào)節(jié)和自適應(yīng)觀測器．

（3）模糊調(diào)節(jié)。模糊控調(diào)節(jié)理論可以用于設(shè)計(jì)參數(shù)辨識器和模糊控制器。在矢量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流控制器都能夠設(shè)計(jì)成模糊控制器，能夠提升系統(tǒng)對電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動的抑制水平，模糊調(diào)節(jié)在直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)中得到更廣泛使用，由于直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)定子磁鏈的測量關(guān)乎定子電阻，在低速情況下定子電阻的變動對定子磁鏈影響較大，使用模糊辨識器能夠達(dá)到對異步電動機(jī)定子電阻的估計(jì)。

（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在交流調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)，需要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線校準(zhǔn)定、轉(zhuǎn)子電阻，能夠消除大部分它們對轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的干擾［2］，因而獲得相對可靠的轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁鏈能夠展現(xiàn)成三相電流和轉(zhuǎn)速的非線性函數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩能夠用轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速來表達(dá)，所以電磁轉(zhuǎn)矩能夠變成三相電流和轉(zhuǎn)速的非線性函數(shù)．如果使用恰當(dāng)?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近這2個(gè)非線性函數(shù)，就能夠得到轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，然后避免了電機(jī)參數(shù)的影響。

5 結(jié)語

異步電動機(jī)的交流調(diào)速控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制方法通常依賴準(zhǔn)確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，可是因?yàn)殡姍C(jī)參數(shù)變化和不確定性擾動的干擾，精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型無法獲得．現(xiàn)代控制理論在電機(jī)模型辨識以及控制調(diào)節(jié)的理論研究很多，但是還需要在工業(yè)應(yīng)用中有更深入的研究．交流調(diào)速控制系統(tǒng)以后的研究方向主要在以下3個(gè)方面：

（1）如何根據(jù)現(xiàn)代控制理論獲得更準(zhǔn)確的電機(jī)模型；

（2）如何根據(jù)傳統(tǒng)控制策略，使用非線性控制器和智能控制器來提高交流調(diào)速系統(tǒng)的性能；

（3）如何掙脫數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜運(yùn)算，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳伯時(shí)．電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005：160-163.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.244