交流異步電動機變頻調速自動控制技術探究

孫彬

【摘 要】隨著變頻技術的發展，變頻調速已逐步成為交流異步電動機最為理想的調速方式之一。交流異步電動機機組發電過程中，通過變頻調速實現電壓輸出，采用電磁耦合器進行輸出變頻轉矩控制，實現交流異步電動機的穩壓輸出，在交流異步電動機發電過程中，受到變頻調速的轉矩差異性輸出的影響，導致電動機的輸出穩壓性不好，需要進行調速自動控制。本文就交流異步電動機變頻調速自動控制技術展開探討。

【關鍵詞】交流異步電動機；變頻調速；自動控制

引言

電動機的類型多樣，而直流電動機和三相交流異步電動機是其中最具典型意義的兩種。兩相對比，交流異步電動機具有結構簡單、成本低廉、操作便利、運行可靠等優勢，因此在傳動領域有著更加廣泛的應用。做好電動機的變頻調速操作，可以改善電動機起動性能，增加起動轉矩同時減少電能消耗，對于電動機功能的發揮意義重大。

1異步電動機調速技術的發展和現狀

電動機可以分為直流電動機和交流電動機。因為交流電動機相對于直流電動機來講，更具有優越性，因此無論是從功能上來講，還是從用途、形式上來講都具有多樣性、不唯一性。異步電動機作為交流電動機的一類，也有著廣泛的應用。異步電動機具有很多的優點，比如說轉動慣量十分小、制造工藝簡單、運行可靠、機身堅固耐用等。但是因為科技發展存在的滯后性，約束了異步電動機，使其不能夠真正的發展成為調速電動機，只能夠采用一些低消耗能的調速方法，比如定子調壓和電磁調速方法。隨著動力設備和用電量的不斷增加，世界各國都開始探索既符合生產發展又能夠節省電力的電動機，這才真正的開啟了異步電動機調速技術的新紀元。

2變頻調速控制類型

比較典型的變頻調速控制類型有三種，一是轉差頻率控制，屬于閉環控制系統，結合異步電動機轉矩與轉差頻率的正比關系，通過控制電樞電流的方式來對電機轉矩進行控制。在頻率控制中，可以將轉差信號與實際測量得到的轉速信號相加后，得到輸入頻率信號；二是矢量控制，也可以成為磁場定向控制，其基本原理，是將轉子磁通作為空間的參考坐標，通過靜止坐標系到旋轉坐標系的轉換，對定子電流中的轉矩分量和勵磁電流分量轉化為標量，分別進行控制。簡單來講，矢量控制將異步電動機看做直流電動機來實現控制，具備較好的調速性能。但是，這種控制策略需要進行大量的運算，對于控制器的處理能力和運算速度要求較高，而且需要進行坐標旋轉變換，因此在實際應用中很難實現；三是直接轉矩控制，主要是結合交流電動機轉矩的需要，選擇恰當的定子電壓空間矢量，以完成對電動機電磁轉矩的快速響應。在直接轉矩控制中，交流電機與電壓源逆變器被看作是一個整體，定子靜止在兩項坐標系中，通過對定子空間矢量的選擇，進行定子磁鏈和電磁轉矩變化的分析，避免了矢量變化的計算，因此控制結構相對簡單，在當前的技術條件下可以非常方便的實現數字化控制。

3異步電動機電壓、頻率協調控制的穩態機械特性

（1）恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性。異步電機在恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式Te=f（s），當定子電壓和電源角頻率恒定時，可以得到下式：

當s接近于1時，可忽略式中的分母Rr，就可以得到對稱于原點的一段雙曲線。（如圖1）

圖1恒壓恒頻時異步電機的機械特性

（2）基頻以下電壓——頻率協調控制下的機械特性。當帶負載的異步電動機穩定的運行時，電壓和頻率的配合方式有許多種。當電壓和頻率的配合不同時，其所產生的機械特性也是不一樣的，所以說對于電壓——頻率的協調控制存在著很多的方式。

4電動機變頻調速控制器的優化

在構建交流異步電動機變頻調速自動控制約束參量模型和被控對象描述的基礎上，進行控制器的優化設計，本文提出基于穩壓補償自適應調節的交流異步電動機變頻調速自動控制技術。構建交流異步電動機的穩壓補償自適應調節模型為：

其中 分別表示行高頻控制變量、輸入功率函數以及誤差干擾項。結合時滯誤差補償，得到在穩態調節下的交流異步電動機變頻調速自動控制狀態方程為：

式中，Wj是電動機調速控制的加權系數，Sf是與其對應的電流值，Ps是輸出功率損失，是電動機的傳動相位，x是交流異步電動機轉矩角速度，x是輸出電機負載慣量。由此采用Smith控制器進行異步電動機的變頻轉速調節，結合前饋補償方法進行輸出電壓的恒穩控制，得到最優控制律為：

在優化控制模型下，電動機的輸出功率為：

電動機變頻調速的效率因素為：

其中： 根據上述控制律優化設計，在負載為Rp和Rs的條件下，實現功率增益補償和穩壓調節，提高輸出功率和穩壓性能。

結語

在交流異步電動機發電過程中，受到變頻調速的轉矩差異性輸出的影響，導致電動機的輸出穩壓性不好，需要進行調速自動控制。本文提出基于穩壓補償自適應調節的交流異步電動機變頻調速自動控制技術，構建交流異步電動機變頻調速自動控制約束參量模型，以共振線圈的轉矩、輸出功率、穩態電壓以及負載等參量為約束指標，進行控制目標函數構建，并進行控制律的優化設計。本文方法在提高交流異步電動機變頻調速自動控制性能方面的優越性。

參考文獻：

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（作者單位：德州恒力電機有限責任公司）