現代交流電機控制的現狀與發展展望

貴州水利水電職業技術學院 陳 意

1 引言

直流電機是人類最早采用的直流電動機，其憑借良好的調速性能與制動性能得到廣泛應用，而伴隨交流電動機的興起，其憑借更高的可靠性、適應性、便捷性，在較短時間內大量實現了對直流電動機的替代。特別是各領域生產要求不斷提高的時候，對交流電機的控制提出了更高的要求。

2 現代交流電機控制現狀

從廣義角度，可以將交流電機分成兩類，包括同步和異步，這兩類電機在基本工程及性能參數上有一定的差異，不過也有一定的類似特征，如機電能量轉換是相同的。異步電機對外部環境有很強適應能力，具有大容量的特點，運行穩定性較強，其憑借較高的轉速頗受青睞，不過因為長期無法解決非線性性質的高性能轉矩控制問題，所以在應用范圍上有一定限制性，在恒速運行的場所較為常用，同步電機的出現，重在處理好大容量及系統功率因素調整等問題。同步電機結構如圖1所示。

圖1 同步電機結構

隨著現代工業的發展，不同的生產設備對于電機控制系統的各項指標提出的要求存在一定的差異性，特別是對控制的精度有很高要求，這就給現代交流電機的控制提出了更高要求[1]。相比于直流電機，對交流電機的速度、轉矩等進行控制更加便捷，隨著20世紀八十年代脈寬調制技術的成熟，已經能夠實現對交流電機的數字化控制。同時在電力電子、微電子、計算機控制等技術不斷發展的過程中，進一步推動了交流電機電氣傳動調速系統的發展，并在各大領域得到廣泛應用。

3 交流電機的主要構成

3.1 控制器

在電氣傳動系統當中，針對轉速的閉環控制是常用做法，實現對傳動系統的控制，為了有效控制電磁轉矩，提高電機電磁使用的科學性，一般可以通過電流的作用形成較大電子轉矩后，通過加快系統流程，實現對轉矩的控制，實現轉矩與矢量的解耦控制，這種控制方法在交流電機控制中發揮著十分關鍵的作用。一方面，針對基速以下的情況，需要具備恒定的磁鏈條件，隨后在控制定速電流及其轉速分量的基礎上，達到控制轉矩的目的。另一方面，針對基速以上的情況，要求采用弱磁控制的手段，適當引入除法環節消除電機內部的乘法效用，通過這種手段達到控制磁鏈及轉矩的目的。需要通過建立轉矩模型，得出精準的動態轉矩值，采用轉矩閉環控制的方法實現對交流電機的控制。

3.2 變頻器

交流電機的變頻器包括電壓和電流兩種型號，這兩種變頻器在頻繁加速以及改變轉向的系統中比較適用，能保證系統具備較強的穩定性。電壓型變頻器主要通過直流電壓進行固定，通過適當的脈沖寬度實現控制，利用開關實現對脈沖寬度的切換，結合電機使用需求有多種控制方案，根據使用范圍的不同適當進行調整，綜合考慮軟件技術及控制方法[2]。

如采用PWM 控制方法時需要注重對因高次諧波所致的損失進行控制，通過控制降低高次諧波，可以降低電機運行產生的較大噪聲，實現對轉矩脈動的有效控制，提高電壓利用率。工業領域電壓型變頻器的使用頻率較高，主要通過脈沖模型法實現對電機各相位的分析，獲取精準的電壓數據，結合各模型的記憶器件的數據或者貯存記憶，實現對變頻器的控制。PWM 法中正弦波近似三角波比較法，為了使三相電壓指令和輸出的電壓值相吻合，主要通過將三角波的大小值和相應的電壓進行對比，在此基礎上確定好開關的切換點。

4 現代交流電機控制的發展展望

4.1 變頻調速

交流電機在工業生產領域的應用范圍較廣，幾乎所有與供給電量有關的都會使用交流電機。傳統電機轉速較慢，生產效率達不到預估標準，主要原因是電機啟動后轉差太小，導致其動態轉矩、電流變小，導致時間縮短引發頻率持續增長，在提高速度時電機穩定性狀態會逐漸達到閾值，如果未停止運行可能引發故障。現代交流電機控制中，變頻調速在系統中，主要針對電機的速度及增減時間等展開控制，特別是對不同時段的加速度有著良好控制效果[3]。

該控制技術的采用，在交流電機運行時具有較強的保護作用，能實現對電機速率的優化，發揮對電機本身的保護作用。如運行狀態下的交流電機，在高速運轉時，可以通過變頻器對速率進行調節，實現人工操作及調整速率等工作，避免因交流電機在運行時因發熱導致燒毀，變頻調速技術基本工作原理如圖2所示。在現代交流電機的控制當中，變頻控制的方法，主要通過對其升溫過程實現控制，避免其溫度超過電機本身能承受的最高值，對保障正常的工業生產有著重要意義。

圖2 變頻調速技術基本工作原理

變頻調速技術在現階段的交流電機控制中得到了廣泛應用，受到社會各界的一致認可，在提高交流電機驅動應用頻率上發揮出了巨大價值，能為工業生產節省大量電力資源。未來應用變頻調速技術時，需要在遵循調速、節能原則的基礎上，進一步加大研究及應用力度。站在傳送裝置的角度考慮，針對不同產品的生產，需要結合實際生產需求做好對交流電機速度的調節，通過對電機的自主控制，保障正常生產。

后續在應用交流電機的過程中，應進一步加強對變頻調速技術的推廣及應用，便于節省大型設備的運作量，通過對電機的有效控制縮短控制系統反應時間，提高系統控制性能及精準度。在機械生產領域，對交流電機的變頻控制，還能簡化原本復雜的機械程序，更好地滿足現代交流電機控制的要求，因此對變頻調速技術的研究、推廣力度將進一步增強。

4.2 直接轉矩控制技術

直接轉矩控制屬于一種新型的電機控制手段，無差拍控制可以在特定的控制周期中，有效消除定子磁鏈模值，針對電磁轉矩一定程度上將動靜態之間的誤差消除，避免在使用滯環比較器時候出現的轉矩脈動，使電機的運行狀態可以達到一種超低速的標準，使得調速的范圍進一步得到拓展。在現代科技不斷進步的過程中，人們對該技術的研發力度正不斷增強，高頻化在未來將逐漸成為交流調速的主要發展方向，并發揮出更佳的調控性能，特別是在消除轉矩脈動上將成為一項核心技術進行研發。同時，該技術未來將呈現智能化發展趨勢，這是實現現代交流電機自動控制的根本條件。現階段直接轉矩控制在交流電機控制中的應用，主要采取的技術手段如下。

一是神經網絡控制。通過對人體大腦的神經系統的模擬，建構一種由大量“神經元”組成的復雜網絡系統，其容錯性較強，具有多輸入與輸出的特性，常用于控制多變量系統[4]。

二是模糊控制。其主要是在人工控制規則的基礎上，通過對規則決策表實現控制，結合人類的思維，如模糊量、控制量等，在模糊推理的基礎上導出實現控制。

4.3 電力電子技術

交流電機控制中電力電子技術發揮著重要作用，在實現對交流電機的控制時需要用到大量大功率半導體元器件，通過不斷對元器件的改善和創新，從一定程度上能有效提高交流電機控制水平。現階段，隨著各類元器件在交流電機控制系統中的使用，各類元器件的性能、參數不斷提升，已經逐漸具備人類智能特征，元器件高頻率的特征逐漸凸顯，在實際運行中能保證電機控制的安全性、可靠性。國外企業已成功研發全新的交流電機控制元器件，這些元器件的基本頻率通常不會超過20Hz，基于此，不管是針對電流或者電壓這些指標，都能從一定程度上體現出元器件的先進程度。

結合當前大功率元器件的發展狀況，其未來發展方向必然是智能化、集成化，過去采用的大功率模塊主要是集成電路系統的過渡產品，是結合了電力電子與微電子技術的產物，不但能使控制系統的可靠性得到提升，還可以減少系統開發時間，節省投入成本，大幅提高現代交流電機控制的質量。

4.4 矢量控制

該技術是近年來興起的新興技術，在電機磁通量控制、調節器自整定、電機變換等方面發揮著重要作用，如非線性自抗擾控制器，其在異步電機中比較適用，能有效替代傳統的PID 控制器，支持交流電機正常運行；在矩陣式變換器的幫助下，針對異步電機的調速控制，主要通過相應的組合控制策略，發揮出直接磁場定向矢量控制的作用。

針對交流電機的矢量控制，在其未來發展中，將創新研發出更多新的技術手段，矢量控制將體現出更強的效率和性能，綜合采用交流電機專用DSP以及軟件系統，積極落實更具實用性的轉子磁場定向方法和更精準的磁通觀測器的開發和研究，有效帶動提高變頻器的啟動轉矩，使變頻器具備較高的過載能力，這是該技術未來發展的主要方向。未來，無速度傳感器的交流異步電機驅動系統、永磁電機驅動系統控制等同樣是研發的重點。如永磁電機驅動系統憑借自身較強的可靠性、高效性得到廣泛關注。

4.5 電機控制相關技術的發展

常用于交流電機控制的集成電路主要分為三類，包括DSP、MCU 和ASIC。電路集成有兩條途徑，一條是將硬件及程序基礎結構設置在同一模板，比如有些控制模塊集成了鍵盤操作、數字控制、LED顯示電路等功能，可以通過預置實現多種控制目標。另一種是將控制器和中電流功率MOSFET 在同一芯片上集成，并通過集成芯片有效應對多數工作中的問題。為了控制少數需要大量并行處理的電機，可以開發和使用如ASIC 芯片此類專用控制芯片。

MCU 在存在大量I/O 操作的場合下比較適用，不過交流電機運行時，MCU 的控制精度不高，在未來生產中需要結合實際情況確定。目前國外一些比較著名的集成電路芯片制造商相繼推出的各自的優勢產品。如在低成本的交流感應電機的控制系統中，8位pic18fxx31系列產品較為適用，在具有較高精度要求和較快運行速度的電機控制系統中較為適用16位dspic90fdsc 系統產品。

5 結語

在社會不斷進步的背景下，交流電機的價值正在不斷被挖掘，也對現代交流電機的控制提出了更高的要求。隨著交流電機控制技術的日漸成熟，國內企業面臨的競爭日漸激烈，需要進一步強化對交流電機控制系統的研發、設計，特別是需要多在元器件、電子芯片的研發上下功夫，走出一條獨立的現代交流電機控制道路。