交流電機變頻調速控制系統研究

苗立偉

（內蒙古電子信息職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010070）

在交流電機矢量控制原理出現后，相關技術被投入應用30 余年，矢量控制的原理也在不斷完善，不同規模的交流電機變頻調控系統主要應用矢量控制，促使交流電機調速已經超出以往直流電機調速的性能。直接轉矩控制（DTC）原理與交流電機矢量控制（VC）對比具有更為鮮明的特征。例如，不再需要應用旋轉坐標變換，存在著靜止坐標系上控制轉矩與磁鏈。在DTC 出現后，交流電機控制理論更受到了關注，相關技術的研究也進一步延伸。在國內相關理論以及實踐的快速發展下，交流調速技術的應用范圍也有所擴展。在市場的不斷擴大下，國際范圍內不同企業之間的產品競爭也愈演愈烈，直接轉矩控制也作為競爭中的焦點之一存在。市場競爭的加劇為研究領域提供了全新的課題，而相應的科技人員需要重新界定DTC 與VC 技術，謹慎評價其應用范疇以及優勢與不足，為相關領域的應用提供客觀的憑據。

1 變頻器發展情況簡述

在運動控制系統中，變頻器作為功率轉換器存在。當前運動控制系統關系著眾多學科技術層面，表現為驅動變得交流化、功率變換器高頻化方向發展，同時，控制系統逐漸向數字化以及智能化方向轉變。基于此，功率轉換部件在系統中的作用極為關鍵，變換器由于具備可控性高性能變壓變頻交流電源實現了快速發展。在相關技術與理論的不斷完善下，電力半導體器件與微處理器的性能也在不斷提升。由此衍生出的結果是變頻驅動技術實現高速發展。從另外一個層面分析，基于在變頻器技術中應用復雜控制技術促使變頻器性能不斷提升，且應用范圍也在不斷延伸。當前變頻器并不被控制在傳統電力拖動系統中獲取到廣泛應用，在各工業生產領域均有涉及，例如，家電產品中便能夠發現其存在。實際上，變頻器技術屬于綜合性較強的技術，屬于多項技術的集中應用，同時，也基于這些技術的同步發展，促使變頻器技術在短時間內實現了快步發展。變頻器技術在各項技術中吸取有助于自身發展的優勢進行融合，為此，變頻器技術才可得到綜合發展。總結而言，變頻器技術的發展是伴隨著相關技術發展而獲取到的。

2 轉矩響應

轉矩調速系統在投入DTC 直接轉矩控制的應用后，其轉矩響應與適量控制對比速度更快，適量控制系統轉矩階躍響應約為7ms 左右，直接轉矩控制系統轉矩階躍響應能夠達到1ms 左右。之所以出現此種結果，其原因為DTC 控制系統借助于電機的電壓與電流核算出定子磁鏈與轉矩，應用碰一碰控制完成變頻器PWM 控制，DTC 控制系統并不存在電流控制環路。基于此，DTC 控制系統的立足點應該放在電壓層面，而非電流層面。適量控制的基礎原理為建立在交流電機電流控制基礎上，將交流電流依據磁場坐標軸分解成為轉矩分量與磁場分量，對其作出分別控制。為此，適量控制的立足點應該為電流控制。在交流電上進行分析，若想在轉矩相應速度上進一步提升，基于磁鏈不發生變化的條件，需要電流的速度作出調整，相應的電流轉變主要受到電壓快速變化所影響。適量控制系統輸出電壓在電流調節器輸出下所產生，在此種情況下將會涉及電流調節時間的滯后。當前，所應用的矢量控制系統輸出電壓能夠經由電機模型計算前饋電壓控制與電流調節同步作用下形成。前饋電壓控制方面，動態響應速度在持續上漲狀態，而電壓輸出的前提是利用模型作出可靠的核算。其目的在于控制過沖情況的發生，從而保障電流可控。DTC 存在的不足在于并不存在電流控制環路，碰一碰控制所形成的輸出電壓也沒有合理的電流控制。在此種情況下，可能發生的問題是電壓過沖。基于此，電機可獲取到較大的電流，加快電流響應。DTC 轉矩響應的實現需要一定條件作為支撐，若電壓為額定狀態，尤其是弱磁運行區域，電壓不會出現過沖余度空間。除此之外，規模較大的流動傳動需要合理的控制電流。如此，DTC 轉矩響應無法實現1 ～2ms 指標的水平。DTC 轉矩響應比較容易被PWM 開關頻率所影響，也就是碰一碰控制頻率。應對利用GTO 與IGCT 原件大規模PWM 變頻器，若開關頻率過高，則會導致變頻器損耗進一步加劇，且運行效率會受到負面影響。針對此，變頻器脈寬控制開關的頻率應該給予一定的限制。

3 變頻器穩態特征分析

在DTC 變頻控制器轉矩響應的實現過程中，所憑借的基礎條件是碰一碰控制。在此過程中，開關頻率存在著一定的不確定性，為此，會出現響應的轉變，也由此衍生出一系列問題。例如，其一，難以與適量控制器協調統一且被明確的開關頻率中，利用PWM 控制方式進行諧波的控制。其二，變頻器自身會輸出一定電壓，為此，電流諧波過高。其三，在應用同樣電子元器件的基礎上，變頻器的輸出容量相對較小。基于以上問題，能夠發現的是DTC 控制變頻器穩態性指標水平還不能夠滿足實際應用需求。面對需求標準相對較低的動態性能指標通用變頻器，如風機與水泵節能傳動等，一般性質的工業機械傳動變頻器效率與諧波具有著至關重要的價值，此條件下，VC 更具有廣泛應用的價值。面對規模較大的傳動設備，如利用IGCT 原件的三電平高壓變頻器，容量指標需要引起關注。

4 無速度傳感器控制

針對相關產品的宣傳問題，將DTC 變頻器無速度傳感器控制于零速情況下滿負荷輸出視為DTC 的唯一特征，明顯過于片面。DTC 與VC 所利用的是同樣的交流電機數學模型，無速度傳感器控制并不是DTC 持有的專利，無速度傳感器控制室DTC 與VC 控制系統都在關注的發展方向。以往有研究資料顯示，DTC 變頻器在低速狀態下的控制能力相對薄弱，為改善此問題，可引入SIR 方法。而此種控制辦法的原理是，建立在電壓與電流電機模型核算轉子磁鏈，后利用轉子磁鏈控制補償DTC 低速狀態下的性能發揮。若控制系統處在低速狀態，選擇ISR，而轉變為高速狀態則需要變換為DTC。從這一點上來看，DTC 低速特征改善需要建立在VC 的基礎上才能夠實現。無速度傳感器控制屬于交流電機調速控制的關鍵研究方向，同時，也是現階段相關領域學術界與變頻器制造廠所關注的焦點問題。值得關注的問題時，國內在部分高校上投入的研究精力較大，出現了一系列研究文章，但是，無速度傳感器控制的實際應用與國外相關產品對比還存在著一定的差距。

5 其他控制方法與發展趨勢

高性能的DSP 芯片、電力電子器件的出現與非線性系統理論的發展，研究優于矢量控制的解耦方案成為可能。滑模變結構控制具有較強的魯棒性與自適應性，促使系統對參數的轉變與外界的擾動靈敏性降低。但是，滑膜高頻切換控制可在擾動與模型參數的作用下造成抖振情況，從而影響系統的穩態性特征以及定位的精準度。為控制滑模控制器中出現的震顫，引入神經網絡控制器，在確保系統穩定性的基礎上，控制滑膜線臨近狀態的抖振情況。模型參考自適應便是將具備待估算參數的方程作為可調模型，兩個模型具備同樣物理意義的輸出量。在工作狀態中，應用兩個模型輸出量的差值，結合適合的自適應率完成參數的調節，最終實現控制對象的輸出跟蹤參考模型。

6 結語

在市場容量的不斷擴增下，世界范圍內相關企業之間的產品競爭力勢必會隨之上升，直接轉矩控制會作為產品技術競爭的關鍵點。在深入開發與展示DTC 技術優勢的基礎上，市場宣傳傾向于DTC 轉矩響應速度優勢，能夠實現1 ～3ms，且可完成無速度傳感器調速控制。在上文分析中明確了，直接轉矩控制（DTC）原理與交流電機矢量控制（VC）對比具有更為鮮明的特征。在DTC 出現后，交流電機控制理論越來越受到關注，相關技術的研究也進一步延伸。在國內相關理論以及實踐的快速發展下，交流調速技術的應用范圍也勢必會有所擴展。