感應電機控制方法綜述

丁 勇，王顯宇，張 俊，潘柏根

（安徽皖南電機股份有限公司，安徽 宣城242500）

1 感應電機穩態模型

感應電機定子與轉子發生相對運動時，定子繞組和轉子繞組間的互感跟隨位置變化，即關于時間的函數，為了便于研究感應電機轉速轉矩特性，通過坐標變化將感應電機的電感轉變為常數進行分析。單相穩態等效電路如圖1所示。

圖1 單相穩態等效電路

對于感應電機而言，各相之間保持嚴格的對稱關系，單相特性可以說明多相規律。在上述感應電機的單相等效電路中，根據感應電機原理，將定子和轉子均看作是由電阻和漏感兩部分組成。勵磁電路在定子與轉子之間建立氣隙磁場，并聯支路中的電流為勵磁電流，一般為額定電流的30%左右。感應電機的輸入功率通過定子繞組發熱形式損耗一部分，其他的通過氣隙磁場的能量轉換進行功率傳遞，傳遞給轉子的功率一般稱為氣隙功率，一部分被轉子內阻和相對運動產生的機械損耗消耗，余下部分作為感應電機輸出端的輸出功率。

根據能量轉換原理，轉速-轉矩關系可表示為：

式（1）（2）（3）中：Pq為氣隙功率；s為轉差率；Pj為機械功率；Pr-cu為轉子銅損；T為轉矩；ωm為轉子機械角速度；ωe為同步電角速度。

根據戴維南定理，將圖1中勵磁部分合并到定子部分進行簡化，可得：

式（4）中：Vd為輸入電壓；Xd為簡化總電抗。

2 定子電壓控制

感應電機的電源端的供電頻率和電機的極數決定電機的同步轉速。由轉速-轉矩之間的關系可知，電壓不能改變同步轉速，其大小可以改變轉矩與轉速關系曲線的形狀。電機穩態運行時，電機輸出端拖動恒轉矩負載時，穩定轉速隨著電壓的降低而降低。根據公式（4）可知，不同供電電壓下，臨界轉矩與電壓的平方成正比，由指數函數的變化趨勢可知，電壓減小會導致臨界轉矩迅速減小。電壓控制的不足之處在于降低電壓會增大轉差率，進而導致電機損耗的增加，影響電機的效率。

3 定子頻率控制

定子頻率控制一般在額定頻率以上進行調速，如果供電頻率小于額定頻率，在電壓不變的情況下，勵磁電路的感抗降低，此時的勵磁電流會大于額定勵磁電流，磁路出現飽和現象，磁路飽和會導致損耗增加。

因此，定子頻率控制一般應用于供電頻率大于額定頻率的情況下。供電頻率大于額定頻率時，同步轉速增加，且在臨界轉矩以上的部分保持迅速線性下降的趨勢。該控制方法下的臨界轉矩與供電頻率的平方成反比。定子頻率控制方式的優點在于使電機維持較高的輸出效率，不足之處在于對電源的輸入頻率要求較高。

4 恒V/f控制

針對電機定子頻率控制方式的不足，在供電頻率小于額定頻率時可以通過協調控制電壓和頻率同步變化的方式來避免出現磁路飽和和電流過大的問題。在該控制方法中，保持電壓與頻率的比值恒定時，頻率改變，臨界轉矩基本保持不變。這種控制方式的優點在于低速可以產生較大的轉矩。該控制的不足之處在于頻率降低且電壓降低時，磁通減小導致轉矩的減小。這種情況可以通過低頻范圍內采用電流控制策略調解電機的勵磁電流進行解決。

5 磁場矢量控制

感應電機根據模仿塔里直流電機的特性發展出磁場矢量控制方式。如果直流電機勵磁電流恒定，電機轉矩可以根據電樞電流確定，勵磁繞組和電樞繞組產生相互垂直的磁場。在感應電機中，定子中電流產生磁場和轉矩電流，可以將坐標系轉化為這兩個電流分量，進而實現對磁場和轉矩的分開控制。

6 直接轉矩控制

直接轉矩控制是根據電機輸出轉矩和定子磁鏈直接確定電機定子電壓，沒有定子電流的控制，這是與磁場矢量控制的不同之處。一般直接轉矩控制系統建立在轉矩滯環控制和磁鏈滯環控制基礎上，其中變流器的開關頻率不確定。也可以通過電壓合成技術，在恒定的開關頻率情形下實現直接轉矩控制。

7 結束語

電機在應用過程中，需要根據不同的要求進行運行狀態的調整。本文在電機簡化模型的基礎上，根據電機運行特性中轉矩-轉速關系，分析了理論上的感應電機的控制方式，每種控制方式均有優勢和不足。實際應用中，本文能夠為電機控制方式的選擇提供相應的指導。