【摘 要】我國(guó)的電力電子技術(shù)和計(jì)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)成為了當(dāng)今一個(gè)研究的熱點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)非線性的系統(tǒng)，它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度以及工作效率等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他的調(diào)速系統(tǒng)。本文主要就異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及變速方法展開(kāi)研究。

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

0.前言

我國(guó)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及國(guó)防軍事和日常生活，都離不開(kāi)以電動(dòng)機(jī)為主的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。近年來(lái)，我國(guó)的電力傳動(dòng)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(dòng)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(guò)去，直流調(diào)速系統(tǒng)因?yàn)槟軌虻玫搅己玫膭?dòng)態(tài)特性而得到了許多高性能傳動(dòng)系統(tǒng)的親睞并在變速傳動(dòng)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(wèn)題，那就是其運(yùn)營(yíng)成本較高，因?yàn)闄C(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(fèi)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(shí)，就顯得不能不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求了。電動(dòng)機(jī)的作用就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，所以電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及有較高的轉(zhuǎn)換效率這兩個(gè)基本特點(diǎn)。尤其是電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)上裝配上控制裝置來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，這樣，控制系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)的兩種基本類(lèi)型，交流電動(dòng)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(dòng)機(jī)包括了同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩類(lèi)。變頻調(diào)速是交流電機(jī)典型的高效調(diào)速方法，無(wú)論是對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)還是同步電動(dòng)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(shí)候，它既能通過(guò)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(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。變頻調(diào)速之所以能成為一種理想的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法，是因?yàn)樗軌蛎黠@地改善交流電機(jī)的起動(dòng)性能而且同時(shí)大幅度降低起動(dòng)電流，增加了起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩。而異步電動(dòng)機(jī)又是一個(gè)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(diǎn)，又具有傳統(tǒng)PID控制精度高的特征，所以對(duì)于異步電動(dòng)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(dòng)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(guò)程中，通過(guò)始終保持V/F為常數(shù)的方式來(lái)保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定，它是交流電動(dòng)機(jī)一種較為簡(jiǎn)單的控制方式。電動(dòng)機(jī)的主磁通若能保持額定值不變，就能達(dá)到對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行理想的調(diào)速控制。因?yàn)閷?duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，若磁通太強(qiáng)，處于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)下的電機(jī)，其勵(lì)磁電流的過(guò)大將會(huì)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(shí)甚至將燒毀電機(jī)；若磁通太弱，鐵芯的利用又不夠充分，會(huì)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(dòng)機(jī)的負(fù)載能力。那么異步電動(dòng)機(jī)要如何保持主磁通的恒定呢？因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的主磁通是由定子和轉(zhuǎn)子合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，所以定子繞組的電動(dòng)勢(shì)本質(zhì)上是定子繞組因切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁感線而產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)而言，其每相電動(dòng)勢(shì)的有效值的計(jì)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(dòng)勢(shì)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(duì)E和f進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂萍纯蓪?shí)現(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(dòng)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(shí)，可同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這樣就能夠使得E/f的比值為一個(gè)常數(shù)。如果電動(dòng)勢(shì)E的值較高，可以通過(guò)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式來(lái)控制，此時(shí)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(gè)常數(shù)；若頻率較低時(shí)，可以人為地來(lái)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(shí)，頻率的額定值會(huì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(lái)選擇逆變器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)態(tài)以控制施加在定子端的三相電壓來(lái)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(guò)轉(zhuǎn)矩來(lái)對(duì)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(shí)的性能卻不太理想。

1.3矢量控制方式

相對(duì)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(kāi)環(huán)的控制方式，而這種開(kāi)環(huán)的控制方式對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的利用率就較低，速度動(dòng)態(tài)特性也相對(duì)較差，而且在對(duì)于如加/減速度等參數(shù)進(jìn)行控制時(shí)，還要根據(jù)負(fù)載情況的不同來(lái)對(duì)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(wú)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(duì)于對(duì)動(dòng)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(gè)問(wèn)題就是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向問(wèn)題，因?yàn)樵陔娏魇噶繌撵o止坐標(biāo)變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的時(shí)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(chǎng)的定向問(wèn)題可以由直接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)控制和間接法轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制。所謂間接法轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，它實(shí)際上是結(jié)合電機(jī)電壓、轉(zhuǎn)速和電流信息來(lái)通過(guò)電流模型法或者電壓模型法將磁通的相位和幅值計(jì)算出來(lái)；而直接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)控制則是利用霍爾傳感器等測(cè)量，或者由磁通觀測(cè)器來(lái)進(jìn)行估計(jì)。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)更多地選用間接法矢量控制。對(duì)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(lái)推算轉(zhuǎn)差角頻率，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)介磁場(chǎng)定向控制。

2.結(jié)語(yǔ)

異步電動(dòng)機(jī)作為一種電器設(shè)備，它具有許許多多的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、價(jià)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(shí)際中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，所以為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能、提高對(duì)電的利用率，進(jìn)一步研究異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)是非常有必要的。

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