DSP的交流異步電動機變頻調(diào)速技術(shù)要點分析

岑仕誠

摘 要：電動機運行中，為了能夠滿足不同工況的要求，需要做好相應的速度調(diào)節(jié)，而對于交流異步電機而言，比較常見的調(diào)速方式包括電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速等，其本身的效率較差。對此，需要引入全新的變頻調(diào)速技術(shù)。文章對交流異步電動機變頻調(diào)速中存在的問題進行了分析，并就其技術(shù)要點進行了討論和闡述。

關(guān)鍵詞：DSP；交流異步電動機；變頻調(diào)速；技術(shù)要點

前言

電動機的類型多樣，而直流電動機和三相交流異步電動機是其中最具典型意義的兩種。兩相對比，交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作便利、運行可靠等優(yōu)勢，因此在傳動領(lǐng)域有著更加廣泛的應用。做好電動機的變頻調(diào)速操作，可以改善電動機起動性能，增加起動轉(zhuǎn)矩同時減少電能消耗，對于電動機功能的發(fā)揮意義重大。

1 交流異步電動機變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀

就目前而言，應用最為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制系統(tǒng)，基本上能夠滿足常規(guī)的平滑調(diào)速要求。不過系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能相對有限，想要提升需要采用帶有轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制?；诖?，研究人員對自身的思路進行了拓展，提出了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。但是其僅僅適用于轉(zhuǎn)速變化相對緩慢的場合，而如果要求電動機能夠根據(jù)實際需求進行轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié)，則會在穩(wěn)態(tài)電流的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，使得電動機的性能無法充分發(fā)揮出來[1]。

2 交流異步電動機變頻調(diào)速技術(shù)要點

DSP即數(shù)字信號處理，其在許多領(lǐng)域中都有著廣泛的應用，其基本原理，是將事物的運動變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字，結(jié)合相應的計算方法，從數(shù)字中提取出有用信息，以滿足實際應用需求。而電機控制專用DSP的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)變頻控制中存在的缺陷和問題，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的全數(shù)字化。而對于交流異步電動機而言，變頻調(diào)速是最為典型同時也非常高效的一種調(diào)速方法，能夠在實現(xiàn)無極變頻調(diào)速的同時，結(jié)合電動機的負載特性，對電壓與頻率的關(guān)系進行合理調(diào)節(jié)，使得電動機可以始終保持高效運行。交流變頻調(diào)速在調(diào)速方面與直流電動機的變壓調(diào)速系統(tǒng)類似，采用的是平行上下移動而轉(zhuǎn)差功率固定的模式。

這里對DSP的交流異步電動機變頻調(diào)速中存在的問題及解決對策進行簡要分析。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2.1 轉(zhuǎn)矩脈動過大

轉(zhuǎn)矩脈動直接影響著交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率，而其本身的不穩(wěn)定性不僅影響了系統(tǒng)本身的穩(wěn)定狀態(tài)，使得變頻閾值容易超出正常的誤差標準范圍，如果長時間持續(xù)，還可能會引發(fā)系統(tǒng)反應遲緩問題，影響電動機的工作效率。如果變頻調(diào)速系統(tǒng)達到最高運行速度，則磁鏈滯環(huán)本身會呈現(xiàn)出高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，使得電動機內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩脈動頻率增加。而電動機內(nèi)部存在的交流分量則會在一定程度上分流轉(zhuǎn)矩脈動中的信號，使得其頻率能夠保持在相對正常的范圍內(nèi)。但是，如果變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行速度降低，電動機內(nèi)部的磁鏈轉(zhuǎn)速也會隨之下降，繼而引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動的周期性波動。在這種情況下，對變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩脈動進行控制，就成為了提升電動機整體性能的關(guān)鍵所在。

2.2 開關(guān)頻率變化

存在有感應電機內(nèi)部的變頻調(diào)速系統(tǒng)是通過直接轉(zhuǎn)矩控制完成對于頻率的響應，而直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以進一步分為電動轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)兩個獨立的單元，在其影響下，系統(tǒng)不僅能夠?qū)鞲衅鬟M行有效控制，還可以實現(xiàn)高動態(tài)反應，完成對電機的數(shù)字化控制。而在系統(tǒng)中，主要是通過電壓型逆變器的控制，實現(xiàn)電力開關(guān)切換，開關(guān)閉合回路通電后，電動機周邊會形成磁場，近似圓形，而伴隨著電機輸出功率的增大，磁場的強度也會隨之上升，電機的多項參數(shù)（溫度、轉(zhuǎn)矩波動、諧波損耗等）則會有所下降。

而在交流電動機的變頻調(diào)速中，開關(guān)頻率的控制是一個亟待解決的問題，這也是確保感應電動機可靠運行的關(guān)鍵。但是，即使引入了數(shù)字信號處理技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)，系統(tǒng)在程序計算以及開關(guān)動作方面仍不可避免的存在著延遲問題，較長的延遲時間會直接影響開關(guān)切換的頻率，同時可能增大采樣周期之間的轉(zhuǎn)矩誤差，繼而影響電動機的正常運作[2]。

2.3 定子磁鏈與定子電阻辨識

通常來講，直接轉(zhuǎn)矩控制在對定子磁鏈進行估算時，采用的多是壓電模型，而從定子磁場本身的定向特性考慮，壓電模型的機電參數(shù)存在著與定子電阻的直接聯(lián)系。對其進行細致分析，如果定子本身處于高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，其會完成對電磁線的快速切割，進而在電動機內(nèi)部產(chǎn)生較為巨大的交流電流。此時，結(jié)合相應的公式計算，可以得到相對準確的定子電阻，以計算出的定子電阻為依據(jù)，可以進行定子磁鏈的推算；反之，如果定子本身的轉(zhuǎn)速相對緩慢，定子電流會有所下降，在交流電動機恒定的額定電壓下，定子電阻的阻值會在較大的范圍內(nèi)波動變化，最終結(jié)果就是定子磁鏈的失準。就目前而言，絕大多數(shù)交流電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)都是采用超出標準速度的定子磁鏈來作為壓電模型，以保證系統(tǒng)的運行效果。

而在壓電模型中，積分環(huán)節(jié)對于系統(tǒng)內(nèi)部電流發(fā)揮著相應的損耗積累作用，如果不能及時對內(nèi)部積累的電流進行疏導和消除，則較大的電流可能會導致電動機內(nèi)部擊穿故障，影響設(shè)備的使用安全。對此，可以選擇利用一階低通濾波器來對單純的積分環(huán)節(jié)進行替代，結(jié)合濾波器本身的濾波和整流功能，將內(nèi)部積累的電流經(jīng)分流后排出，以降低磁鏈在數(shù)據(jù)層面的誤差。

2.4 變頻調(diào)速控制類型

除上文提到的恒壓頻比控制，比較典型的變頻調(diào)速控制類型還有三種，一是轉(zhuǎn)差頻率控制，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)合異步電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率的正比關(guān)系，通過控制電樞電流的方式來對電機轉(zhuǎn)矩進行控制。在頻率控制中，可以將轉(zhuǎn)差信號與實際測量得到的轉(zhuǎn)速信號相加后，得到輸入頻率信號；二是矢量控制，也可以成為磁場定向控制，其基本原理，是將轉(zhuǎn)子磁通作為空間的參考坐標，通過靜止坐標系到旋轉(zhuǎn)坐標系的轉(zhuǎn)換，對定子電流中的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁電流分量轉(zhuǎn)化為標量，分別進行控制。簡單來講，矢量控制將異步電動機看做直流電動機來實現(xiàn)控制，具備較好的調(diào)速性能。但是，這種控制策略需要進行大量的運算，對于控制器的處理能力和運算速度要求較高，而且需要進行坐標旋轉(zhuǎn)變換，因此在實際應用中很難實現(xiàn)；三是直接轉(zhuǎn)矩控制，主要是結(jié)合交流電動機轉(zhuǎn)矩的需要，選擇恰當?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，以完成對電動機電磁轉(zhuǎn)矩的快速響應。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，交流電機與電壓源逆變器被看作是一個整體，定子靜止在兩項坐標系中，通過對定子空間矢量的選擇，進行定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩變化的分析，避免了矢量變化的計算，因此控制結(jié)構(gòu)相對簡單，在當前的技術(shù)條件下可以非常方便的實現(xiàn)數(shù)字化控制。

3 結(jié)束語

總而言之，交流異步電動機不僅本身結(jié)構(gòu)簡單，制作成本相對低廉，而且可靠性和適用性好，在運行過程中很少出現(xiàn)機械故障，因此在傳動領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用。為了更好的適應復雜的工作環(huán)境，需要結(jié)合變頻調(diào)速實現(xiàn)對于交流異步電動機的調(diào)節(jié)控制，提升電動機變頻調(diào)速的效率和效果，確保其功能的充分發(fā)揮。

參考文獻

[1]張笛.基于DSP的三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及實現(xiàn)[D].北京印刷學院，2015.

[2]周世杰，高玉爽.基于DSP的交流異步電機變頻調(diào)速技術(shù)要點分析[J].黑龍江科技信息，2016（27）：5.

[3]趙曼.基于DSP的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)[D].西安工業(yè)大學，2014，41（7）：1126-1128.