關(guān)鍵詞： 交流電機 異步電機 VF 控制 矢量控制

目前，市面上電機分為直流電機和交流電機兩大類。直流電機的優(yōu)點是調(diào)速性能好，能滿足各種拖動系統(tǒng)的要求，缺點是直流電難以獲得，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。特別是直流電機中的電刷和換向器工作時存在的出現(xiàn)火花、容易老化等問題，增加了直流電機的維護難度。

而交流電機卻具備結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，交流電能易獲得等優(yōu)點，因此人們希望有一種調(diào)速性能優(yōu)越的交流電機出現(xiàn)。最開始出現(xiàn)的VF 變頻調(diào)速技術(shù)，VF調(diào)速在穩(wěn)定系統(tǒng)中可以媲美直流電機，但在瞬時變化動態(tài)響應(yīng)方面與直流調(diào)速比還是略有遜色。于是德國學(xué)者HASS K 和BLASCHKE F 提出了矢量控制法，該理論的提出讓人們在交流變頻領(lǐng)域有了大跨步的發(fā)展。目前，矢量控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟了，在很多特定電機中的低速控制與動態(tài)性能好、控制精度高等優(yōu)點都得到了業(yè)內(nèi)的一致好評。文章就VF 變頻調(diào)速和矢量調(diào)速進一步分析和探討。

1 VF 變頻調(diào)速控制法

交流異步電動機調(diào)速的方法有3 種：變極調(diào)速、變頻調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中，變極調(diào)速調(diào)速跨度太大而變轉(zhuǎn)差率調(diào)速調(diào)速范圍小，最終被廣泛使用的只有變頻調(diào)速[1]。交流異步電動機調(diào)速變速公式如式（1）所示。

根據(jù)公式（2）可知，變頻調(diào)速時如果電源電壓不變則電機中的主磁通會變化，磁通大會導(dǎo)致磁路飽和、電機燒毀等問題，磁通太小又會使電機效率降低。在變頻調(diào)速過程中要保證磁通不變，就必須同時改變電源電壓的大小[2]，所以這種變頻調(diào)速又被稱作VF 調(diào)速。

在3 種傳統(tǒng)的交流調(diào)速控制中，VF 控制具有控制結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍廣、能平滑調(diào)速等優(yōu)點，成為使用最廣泛的調(diào)速方法。

交流電壓三要素分別是電壓大小、頻率、相位[3]。VF 調(diào)速通過控制電壓大小和頻率來實現(xiàn)速度控制，沒有控制相位，電機在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時VF 調(diào)速可以很準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實現(xiàn)調(diào)速，但在系統(tǒng)發(fā)生波動瞬間電機發(fā)生失步，失去平衡引起轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動，波動消失后電機需要經(jīng)過一段時間調(diào)節(jié)再次回到穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程中由于電機的轉(zhuǎn)速的變化，造成調(diào)速不準(zhǔn)確。所以，在控制要求較高的場所VF 控制不適用。

2 矢量控制法

矢量控制是在VF 控制的基礎(chǔ)上加入了相位控制，即矢量控制是對電壓三要素大小、頻率、相位的控制。相位控制在實際操作中體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)子位置的控制。

異步電動機矢量控制具體步驟如下。

（1）根據(jù)圖1 所示，異步電機T 形等效電路得出轉(zhuǎn)矩方程和起動電流方程。

在圖1 中，U1、R1、X1 分別為定子電壓、定子繞組電阻和定子繞組漏電抗，R'2、X ' 2 分別是折算后的轉(zhuǎn)子繞組電阻和轉(zhuǎn)子繞組漏電抗，Rm、Xm 是勵磁電阻和勵磁電抗[3]。

由等效電路可得以下公式：

由式（3）～式（7）可推導(dǎo)出電流方程和轉(zhuǎn)矩方程：

經(jīng)過上述4 個過程，文章將異步電機的定子電流分解為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流?？刂飘惒诫姍C時，可以分別獨立控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的幅值、相位，實現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦。實際操作中，對磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時控制，以實現(xiàn)高精度控制[5]。圖3 是控制結(jié)構(gòu)圖，具體操作步驟如下[6]。

（1）電流檢查模塊檢測到電機定轉(zhuǎn)子三相電流。

（2）Clark 逆變模塊將電機的三相電流轉(zhuǎn)換為兩相靜止電流i?和iβ。

（3）Park 變換模塊將兩相靜止電流轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)的電流iq和id。

（4）測速模塊將檢測到的異步電機的ωr 與給定的ω*r 進行比較，比較結(jié)果經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)得到i*q 即q 軸電流參考值，設(shè)d 軸電流給定值為0。

（5）將檢測到的iq、id 分別與參考值比較，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)生產(chǎn)ud和uq。

（6）ud、uq 和檢測到的角度θ 一起通過IparK 反變換變換為靜止的兩相坐標(biāo)u?、uβ。

（7）u? 和uβ 通過SVPWM 變換為六路開關(guān)信號再經(jīng)過逆變器變?yōu)槿嘟涣麟娍刂迫喈惒诫姍C。

根據(jù)圖3 可得出矢量控制的兩個特點：第一，矢量控制采用了閉環(huán)控制，時刻檢測異步電機的轉(zhuǎn)速并反饋回來與設(shè)定的速度比較，根據(jù)實際情況實時調(diào)節(jié)；第二，矢量控制采用了磁鏈和轉(zhuǎn)矩獨立控制，電機響應(yīng)速度很快，并在低速時調(diào)速性能良好。

3 結(jié)語

文章對比了三相異步電動機的VF 調(diào)速控制和矢量調(diào)速。VF 控制是目前調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類調(diào)速法，在電機穩(wěn)定運行時，調(diào)速響應(yīng)速度、精度都能滿足控制需求，但出現(xiàn)瞬時狀態(tài)時電機速度會變化，VF 調(diào)速法也不能控制低速運行的電機。矢量控制法是三量控制，可以根據(jù)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)，電機響應(yīng)較快，速度調(diào)節(jié)精度較高，電機低速時也能準(zhǔn)確控制，但控制過程復(fù)雜需要建立數(shù)學(xué)模型，目前只在控制要求很高的時才會采用。矢量控制是今后異步電機調(diào)速研究的方向，相信有一天會成為交流電機速度控制主流。