交流電動機調速系統的研究

摘要：文章首先論述了交流電動機調速系統的發展過程；其次論述了目前變頻調速的基礎技術，并對控制系統的主電路、控制電路、電氣控制電路以及實現控制多元化的實施方案進行了論證；最后完成了電動機調速相應的電氣控制電路功能的設計。

關鍵詞：三相異步電動機；通用變頻器；PWM技術；全數字化控制系統

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）21-0010-03

近年來，隨著能源日益減少，新型節電設備的不斷更新和科學技術的飛躍發展，合理化的設計和節電設備的日益廣泛應用，給人們工作和生活帶來了更多的方便。

1 交流電動機調速系統的發展過程

1.1 交流電動機勵磁調速

早期用原動機來驅動一臺發電機，而通過控制發電機的勵磁來調節發電機的輸出電壓，借此來調節被驅動電機的轉速和電機有功功率輸出，還可以關閉和起動電機。

1.2 電流電動機可控整流調速

隨著科學技術不斷發展，發明了通過晶閘管的導通時間來控制電壓（可控整流技術）。首先是調速系統響應速度得到了很大提高，并且很好地解決了低速情況下的電流斷續問題。可控硅調速是用改變可控硅導通角的方法來改變電動機端電壓的波形，從而改變電動機端電壓的有效值，達到調速的

目的。

1.3 內容摘要

1.3.1 變頻調速方法

變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要通過變頻器進行，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交流－直流－交流變頻器。

變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數），通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。

1.3.2 變極對數調速方法

這種調速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的，本方法適用于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。

變頻器調速的特點是平穩、可根據需要調節速度，是未來交流電動機的發展方向。

2 交流電動機調速系統方案論證

2.1 單片機調速

隨著全球范圍的數字化控制系統的發展，人們對數字化信息的依賴程度也越來越高。實現調速系統全數字化控制不僅能使交流調速系統與信息系統緊密結合，而且可以提高交流調速系統自身的

功能。

由于交流電機控制理論不斷發展，控制策略和控制算法也日益復雜。擴展卡、濾波器、FFT、狀態觀測器、自適應控制、人工神經網絡等均應用到了各種交流電機的矢量控制或直接轉矩控制當中。因此，DSP芯片在全數字化的高性能交流調速系統中找到施展身手的舞臺。在交流調速的全數字化的過程當中，各種總線也扮演了相當重要的角色。STD總線、工業PC總線、現場總線以及CAN總線等在交流調速系統的自動化應用領域起到了重要的作用。

2.2 PWM調速

PWM控制是交流調速系統的控制核心，它可以完成任何控制算法的最終實現。

關于PWM控制方案已經在各領域有了多個版本的應用，尤其是微處理器技術應用在PWM技術之后，總是不斷有新的技術更新，從開始追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從最初效率最大化、轉矩脈動少到后來的以消除噪音為主攻課題，這些都是PWM控制技術的不斷升級和完善。目前，越來越多的新方案不斷地被提出和應用，說明這項技術的應用空間十分廣泛。其中，空間矢量PWM技術以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點在交流調速系統中得到了越來越多的應用。V/f恒定、速度開環控制的通用變頻調速系統和滑差頻率速度閉環控制系統，基本上解決了異步電機平滑調速的問題。然而，當生產機械對調速系統的動靜態性能提出更高要求時，上述系統還是比直流調速系統略遜一籌。原因在于，其系統控制的規律是從異步電機穩態等效電路和穩態轉矩公式出發推導出穩態值控制，完全不考慮過渡過程，系統在穩定性、起動及低速時轉矩動態響應等方面的性能尚不能令人滿意。

異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標系到旋轉坐標系之間的變換，則可以把定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。這樣，通過坐標變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可像直流電動機那樣進行快速的轉矩和磁通控制即矢量控制。

3 交流電動機調速系統主電路設計

綜合設備除了計算機外，其他設備的傳動、機床、機器人和自動裝置的傳動、電動汽車以及火車傳動等，都離不開調速系統。經過漫長的發展，交流調速電氣傳動已上升為電氣調速的主導潮流，一步一步取代傳統的直流調速傳動。

變頻器對變換的逆變電源成為變頻電源的形式，主要是利用了電機調速用的變頻調速器，從而使普通的交流穩壓電源形式得到變化的效果，所以對變頻電源的主要功能是將現有的交流電網電源變換成所需要頻率的穩定的純凈的正弦波電源的效果，理想的交流電源的特點是頻率的穩定。異步電動機與同步發電機同軸連接，通過變頻器控制電動機的轉速可以準確控制發電機輸出電流的頻率大小，而同步發電機輸出電壓幅值E與磁通Φ有關，因此調節勵磁單元所提供的勵磁電流即可以控制發電機輸出電壓的幅值，最終達到電壓、頻率分別可調，波形為正弦波。

PLC是整個控制系統的核心，它可以給變頻器輸出轉速信號，控制電機的轉速；可以按照擬定的控制策略給出勵磁單元控制信號，實現與發電機同步電頻可調。從而實現整個變頻電源輸出頻率、幅值的連續可調。同時，與觸摸屏進行實時通訊，為觸摸屏的顯示提供數據，并對于觸摸屏輸入的信息進行處理等，更加人性化。

變頻恒壓供水節制系統通過測到的管網壓力，經變頻器的內置PID調節器運算后，調節輸出頻率，實現管網的恒壓供水。變頻器的頻率超限信號（一般可作為管網壓力極限信號）可適時報信PLC舉行變頻泵邏輯切換。為防止水錘征象的孕育發生，泵的啟停將聯動其出口閥門。

假定系統由四臺水泵、一臺變頻器、一臺PLC和一個壓力變送器及若干輔助器件構成。安裝于供水管道上的壓力變送器將管網壓力轉換成0～5V或4～20mA的電信號；變頻調速器用于調節水泵轉速；PLC用于邏輯切換。如果1#水泵到50Hz但實際值沒達到設定值時，1#水泵轉到工頻，約10秒后，變頻器帶2#水泵加速，如果還沒達到設定值時，2#水泵轉到工頻，約10秒后變頻器帶3#水泵加速，加到某一頻率值，實際值得到設定值時，變頻器開始減速到0Hz后，1#工頻泵停機，2#工頻泵停機，保持實際值不變，夜間用水量較少時，管網中剩一臺變頻泵而且頻率下降到約35Hz，實際值≥設定值時，約2分鐘后，小泵開始啟動，到P2（小泵上限壓力）值時小泵停機，這時水泵全部休息，管網壓力由氣壓罐供水狀態，P2值下降到小泵啟動壓力值時P1小泵啟動，用水量較少時壓力到P2時停機，如果用水量較多時，小泵啟動，而Hz值低于P1值時，變頻器開始帶大泵加速到35Hz時，把小泵甩開。如此循環往復工作，大大節約了日趨緊張的用電。

此外，上面所說的系統還配備了外圍輔助電路，以保障自己主動節制系統出現故障時可通過人工調節體式格局維持系統運行，包管連續生產，使整套系統正常運行。

參考文獻

[1] 王占奎，等．交流變頻調速應用例集[M]．北京：科學出版社，1995．

[2] 張燕賓．SPWM變頻調速應用技術[M]．北京：機械工業出版社，1997．

[3] 毛明．一種新型通用變頻調速器的設計[D]．四川：四川大學，2001．

（責任編輯：劉 晶）