交流電機VF控制與矢量控制的比較

關鍵詞： 交流電機 異步電機 VF 控制 矢量控制

目前，市面上電機分為直流電機和交流電機兩大類。直流電機的優點是調速性能好，能滿足各種拖動系統的要求，缺點是直流電難以獲得，結構復雜，價格昂貴。特別是直流電機中的電刷和換向器工作時存在的出現火花、容易老化等問題，增加了直流電機的維護難度。

而交流電機卻具備結構簡單，維護方便，交流電能易獲得等優點，因此人們希望有一種調速性能優越的交流電機出現。最開始出現的VF 變頻調速技術，VF調速在穩定系統中可以媲美直流電機，但在瞬時變化動態響應方面與直流調速比還是略有遜色。于是德國學者HASS K 和BLASCHKE F 提出了矢量控制法，該理論的提出讓人們在交流變頻領域有了大跨步的發展。目前，矢量控制技術已經發展得比較成熟了，在很多特定電機中的低速控制與動態性能好、控制精度高等優點都得到了業內的一致好評。文章就VF 變頻調速和矢量調速進一步分析和探討。

1 VF 變頻調速控制法

交流異步電動機調速的方法有3 種：變極調速、變頻調速、變轉差率調速。其中，變極調速調速跨度太大而變轉差率調速調速范圍小，最終被廣泛使用的只有變頻調速[1]。交流異步電動機調速變速公式如式（1）所示。

根據公式（2）可知，變頻調速時如果電源電壓不變則電機中的主磁通會變化，磁通大會導致磁路飽和、電機燒毀等問題，磁通太小又會使電機效率降低。在變頻調速過程中要保證磁通不變，就必須同時改變電源電壓的大小[2]，所以這種變頻調速又被稱作VF 調速。

在3 種傳統的交流調速控制中，VF 控制具有控制結構簡單、調速范圍廣、能平滑調速等優點，成為使用最廣泛的調速方法。

交流電壓三要素分別是電壓大小、頻率、相位[3]。VF 調速通過控制電壓大小和頻率來實現速度控制，沒有控制相位，電機在穩定狀態下運行時VF 調速可以很準確、穩定地實現調速，但在系統發生波動瞬間電機發生失步，失去平衡引起轉矩和轉速波動，波動消失后電機需要經過一段時間調節再次回到穩定狀態，調節過程中由于電機的轉速的變化，造成調速不準確。所以，在控制要求較高的場所VF 控制不適用。

2 矢量控制法

矢量控制是在VF 控制的基礎上加入了相位控制，即矢量控制是對電壓三要素大小、頻率、相位的控制。相位控制在實際操作中體現在對轉子位置的控制。

異步電動機矢量控制具體步驟如下。

（1）根據圖1 所示，異步電機T 形等效電路得出轉矩方程和起動電流方程。

在圖1 中，U1、R1、X1 分別為定子電壓、定子繞組電阻和定子繞組漏電抗，R'2、X ' 2 分別是折算后的轉子繞組電阻和轉子繞組漏電抗，Rm、Xm 是勵磁電阻和勵磁電抗[3]。

由等效電路可得以下公式：

由式（3）～式（7）可推導出電流方程和轉矩方程：

經過上述4 個過程，文章將異步電機的定子電流分解為勵磁電流和轉矩電流。控制異步電機時，可以分別獨立控制勵磁電流和轉矩電流的幅值、相位，實現了磁鏈和轉矩解耦。實際操作中，對磁鏈和轉矩同時控制，以實現高精度控制[5]。圖3 是控制結構圖，具體操作步驟如下[6]。

（1）電流檢查模塊檢測到電機定轉子三相電流。

（2）Clark 逆變模塊將電機的三相電流轉換為兩相靜止電流i?和iβ。

（3）Park 變換模塊將兩相靜止電流轉換為兩相旋轉的電流iq和id。

（4）測速模塊將檢測到的異步電機的ωr 與給定的ω*r 進行比較，比較結果經過PI 調節得到i*q 即q 軸電流參考值，設d 軸電流給定值為0。

（5）將檢測到的iq、id 分別與參考值比較，再經過PI調節生產ud和uq。

（6）ud、uq 和檢測到的角度θ 一起通過IparK 反變換變換為靜止的兩相坐標u?、uβ。

（7）u? 和uβ 通過SVPWM 變換為六路開關信號再經過逆變器變為三相交流電控制三相異步電機。

根據圖3 可得出矢量控制的兩個特點：第一，矢量控制采用了閉環控制，時刻檢測異步電機的轉速并反饋回來與設定的速度比較，根據實際情況實時調節；第二，矢量控制采用了磁鏈和轉矩獨立控制，電機響應速度很快，并在低速時調速性能良好。

3 結語

文章對比了三相異步電動機的VF 調速控制和矢量調速。VF 控制是目前調速領域應用最廣泛的一類調速法，在電機穩定運行時，調速響應速度、精度都能滿足控制需求，但出現瞬時狀態時電機速度會變化，VF 調速法也不能控制低速運行的電機。矢量控制法是三量控制，可以根據電機轉速實現實時調節，電機響應較快，速度調節精度較高，電機低速時也能準確控制，但控制過程復雜需要建立數學模型，目前只在控制要求很高的時才會采用。矢量控制是今后異步電機調速研究的方向，相信有一天會成為交流電機速度控制主流。