異步電動機變頻調速系統淺談

【摘 要】我國的電力電子技術和計算機技術在目前都取得了較大的進步，基于此二者之上的交流電機變頻調速技術也得到了發展，因此，異步電動機變頻調速系統成為了當今一個研究的熱點。異步電動機調速系統是一個非線性的系統，它的動態響應、調速精度以及工作效率等都遠遠超過其他的調速系統。本文主要就異步電動機變頻調速系統的工作原理及變速方法展開研究。

【關鍵詞】計算機技術；交流電變頻調速技術；異步電動機；變頻調速系統

0.前言

我國的工農業生產、交通運輸以及國防軍事和日常生活，都離不開以電動機為主的電力傳動系統。近年來，我國的電力傳動系統的控制性能在不斷提高，其節能水平也在不斷地進步，而使得電力傳動系統的控制性和節能水平得以較大提升的關鍵就在于變頻調速技術以及變頻調速系統在其中的應用。在過去，直流調速系統因為能夠得到良好的動態特性而得到了許多高性能傳動系統的親睞并在變速傳動領域占據統治地位。但直流調速系統也面臨著一些列的問題，那就是其運營成本較高，因為機械接觸式的轉向器結構較為復雜并且制造成本較高，所需的維護及檢修費用也較高。由于直流電機運行成本很高，所以當要做大容量高速的機組時，就顯得不能不能滿足現代化生產的要求了。電動機的作用就是將電能轉換為機械能，所以電動機必須具有可以根據生產機械的工藝要求控制和調節電動機的轉速以及有較高的轉換效率這兩個基本特點。尤其是電動機的調速性能，調速性能越好，就越能夠提高產品的質量和勞動生產率，以及達到節能的目的。所以我們往往需要在電動機上裝配上控制裝置來控制電動機的運行，這樣，控制系統和電動機就構成了一個簡單的電力傳動自動控制系統。

直流電動機和交流電動機是電動機的兩種基本類型，交流電動機在全世界也經歷了一百多年的發展，目前的交流電動機包括了同步電動機和異步電動機兩類。變頻調速是交流電機典型的高效調速方法，無論是對于異步電動機還是同步電動機，它都能夠適用。而且在交流電機采用變頻調速的時候，它既能通過調節頻率與電壓間的關系使電機保持運行在高效區，而且還能實現無極調速。變頻調速之所以能成為一種理想的交流電動機調速方法，是因為它能夠明顯地改善交流電機的起動性能而且同時大幅度降低起動電流，增加了起動時的轉矩。而異步電動機又是一個高階、強耦合和非線性的多變量系統，既具有模糊控制適應性強的特點，又具有傳統PID控制精度高的特征，所以對于異步電動機變頻調速系統的研究是非常有意義的。

1.異步電動機調頻方式

1.1恒壓頻比控制方式

所謂恒壓頻比控制，就是在控制過程中，通過始終保持V/F為常數的方式來保證轉子磁通的恒定，它是交流電動機一種較為簡單的控制方式。電動機的主磁通若能保持額定值不變，就能達到對異步電動機進行理想的調速控制。因為對于異步電動機而言，若磁通太強，處于過勵磁狀態下的電機，其勵磁電流的過大將會導致鐵芯因熱損耗增大而早晨輸出效率的下降，嚴重時甚至將燒毀電機；若磁通太弱，鐵芯的利用又不夠充分，會出現在相同轉子電流下電磁轉矩變小，進而減小電動機的負載能力。那么異步電動機要如何保持主磁通的恒定呢？因為異步電動機的主磁通是由定子和轉子合成磁動勢產生的，所以定子繞組的電動勢本質上是定子繞組因切割旋轉磁場磁感線而產生了感應電動勢。對三相異步電動機而言，其每相電動勢的有效值的計算公式為：

E=4.44k×f×N×Φ

式中：E—主磁通在定子每相中感應電動勢的有效值。

k—與繞組結構有關的常數。

f—定子頻率。

N—定子每相繞組串聯匝數。

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E和f進行適當的控制即可實現。

1.1.1基頻以下變頻調速控制的基本方式

只要主磁通Φ保持不變，電動機的負載能力就可以得到保證，所以在降低供電頻率時，可同時降低感應電動勢，這樣就能夠使得E/f的比值為一個常數。如果電動勢E的值較高，可以通過恒轉矩調速方式來控制，此時可近似的認為定子相電壓U1=E，這樣可以得到U1/E的值為一個常數；若頻率較低時，可以人為地來提高定子電壓使主磁通基本保持不變。

1.1.2基頻以上變頻調速控制的基本方式

當頻率在基頻以上進行調速控制時，頻率的額定值會由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，這種方式相當于直流電動機中的弱磁升速的情況，其調速方式屬于近似的恒功率調速方式。

1.2直接轉矩控制方式

直接轉矩控制（DTC）能夠直接實現對轉矩的控制，它能夠有效克服坐標變換和解耦運算的復雜程序，它是一種轉矩閉環控制方式，通過這種方式，可以控制轉矩誤差和磁通控制誤差，并且按照一定的原則來選擇逆變器的開關轉態以控制施加在定子端的三相電壓來調節電機的轉速和輸出功率，最終達到控制電機轉速的目的。DTC著重是通過轉矩來對轉子進行狀態干擾而不是參數干擾，但其在于低速時的性能卻不太理想。

1.3矢量控制方式

相對于直接轉矩控制的轉矩閉環控制方式，恒壓頻比控制是一種開環的控制方式，而這種開環的控制方式對于電機轉矩的利用率就較低，速度動態特性也相對較差，而且在對于如加/減速度等參數進行控制時，還要根據負載情況的不同來對相應的參數進行調整。如果遇到突加負載電機轉速將無法迅速地恢復到給定的值，總而使系統發生振蕩現象。所以在對于對動態性能要求較高的應用上，還可以采取適量控制變頻器。

還有一個問題就是轉子磁場的定向問題，因為在電流矢量從靜止坐標變換到旋轉坐標的時候，我們必須知道靜止坐標與旋轉坐標之間的轉角。轉子磁場的定向問題可以由直接轉子磁場控制和間接法轉子磁場定向控制。所謂間接法轉子磁場定向控制，它實際上是結合電機電壓、轉速和電流信息來通過電流模型法或者電壓模型法將磁通的相位和幅值計算出來；而直接轉子磁場控制則是利用霍爾傳感器等測量，或者由磁通觀測器來進行估計。但在實際應用中，往往會更多地選用間接法矢量控制。對于異步電機的轉差頻率矢量的控制，在保證轉子磁通大小恒定不變的前提下可根據需要的轉矩來推算轉差角頻率，以實現簡介磁場定向控制。

2.結語

異步電動機作為一種電器設備，它具有許許多多的優點，比如說結構簡單、堅固、價格低廉等。而微處理器和控制技術的飛速發展又為交流變頻調速技術在實際中的應用打下了堅實的基礎，所以為了實現節能、提高對電的利用率，進一步研究異步電動機變頻調速系統是非常有必要的。

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