交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)分析

高建 李輝

摘要：我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度明顯加快，因此交流調(diào)速技術(shù)被廣泛的運(yùn)用于各式項(xiàng)目之中?，F(xiàn)今，中國(guó)大部分的大型工業(yè)項(xiàng)目已經(jīng)全面使用了交流調(diào)速傳統(tǒng)技術(shù)，不管是在風(fēng)機(jī)還是高速鐵路推動(dòng)牽引，又或者是在大型的船舶電力推進(jìn)和大型壓縮機(jī)傳動(dòng)之中都能看到它的身影。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；變頻調(diào)速；控制系統(tǒng)

引言：

交流電動(dòng)機(jī)使用方便，維護(hù)工作量小，且價(jià)格便宜，因此被廣泛應(yīng)用。但在以往的很長(zhǎng)一段時(shí)期，交流電機(jī)的調(diào)速裝置價(jià)格極高且調(diào)速性能不佳，使得在調(diào)速領(lǐng)域一直以直流調(diào)速為主。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的性價(jià)比不斷的提高，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了全面取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)。

1大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組成部分

1.1交流變頻電機(jī)

由于目前國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)于大功率的交流電機(jī)的研究還處于初始階段，因此，大功率交流電機(jī)在變頻調(diào)控過(guò)程中使用的主要是同步電機(jī)。其本身具有動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異、變頻時(shí)所具有的容量小、功率因數(shù)較高等特點(diǎn)。因?yàn)槠涑休d能力較高，在運(yùn)用的時(shí)候?qū)τ陬A(yù)設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，還是能夠及時(shí)有效的完成。

1.2大功率的電力電子變頻器

隨著科技的不斷向前發(fā)展，電力電子變頻器的功率隨著器件材料的改進(jìn)也是越來(lái)越大，這樣在需要進(jìn)行的交流電機(jī)變頻調(diào)速的操作過(guò)程中，所能輸出的功率才能達(dá)到系統(tǒng)的要求，以滿足其應(yīng)用過(guò)程中動(dòng)能的負(fù)荷?？梢哉f(shuō)，在這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，這個(gè)硬件設(shè)備的品質(zhì)決定了其最終技術(shù)所能達(dá)到的高度和效果。

1.3進(jìn)行調(diào)速所需要運(yùn)行的控制系統(tǒng)

由于交流電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制理論的提出和完善，對(duì)于交流電機(jī)調(diào)控系統(tǒng)的效能大大提高，最終超過(guò)了直流調(diào)速所達(dá)到的效果，為其最終成為變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵部分提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這方面技術(shù)由于被掌握在少數(shù)的國(guó)家和企業(yè)手中，因此，我國(guó)在進(jìn)行自主化研究和開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，能夠借鑒的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)比較少，就需要我國(guó)在這方面的研究所投入的人力物力資源較大，關(guān)注和重視程度也較高，來(lái)盡早攻破這個(gè)難題，早日開(kāi)發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的操作運(yùn)行系統(tǒng)。

2交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主流控制方式

2.1V/F控制方式

任何種類(lèi)的電機(jī)在實(shí)施調(diào)速時(shí)，要保證其輸出特性穩(wěn)定并發(fā)揮出電機(jī)的額定出力都需要主勵(lì)磁通穩(wěn)定的保持在額定值。降低勵(lì)磁磁通量，也就等同于弱磁調(diào)速，這種方式會(huì)降低電機(jī)的出力。增強(qiáng)磁通，會(huì)使得電機(jī)的鐵心飽和，發(fā)熱量增大，效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒毀電機(jī)繞組。

直流變頻調(diào)速電機(jī)通常都有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，串勵(lì)和并勵(lì)的勵(lì)磁方式通常都不會(huì)用于調(diào)速電機(jī)。再利用專(zhuān)用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制好勵(lì)磁繞組的電流就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁強(qiáng)度的絕對(duì)控制。可以說(shuō)直流電機(jī)的勵(lì)磁可以通過(guò)簡(jiǎn)單的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的掌控，必要時(shí)還能根據(jù)需要補(bǔ)償磁場(chǎng)強(qiáng)度。這就是直流電機(jī)易于調(diào)速的主要原因。在交流電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的，因此其勵(lì)磁磁通無(wú)法簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

2.2矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制

異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，矢量控制以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)分別控制。通過(guò)坐標(biāo)變換重建的電機(jī)模型就等效為一臺(tái)直流電機(jī)，可象直流電機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制，獲得與直流電機(jī)一樣的良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。因其采用了坐標(biāo)變換，需要進(jìn)行快速、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，故對(duì)控制器的運(yùn)算速度、處理能力等要求較高，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展為VC的實(shí)現(xiàn)提供了良好的外部條件。

針對(duì)Vc的缺陷，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線性和電機(jī)參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能等問(wèn)題，DTC在定子坐標(biāo)系下分析、計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使得控制系統(tǒng)線路簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)的參數(shù)不敏感，且具有高動(dòng)態(tài)性能。DTC以新穎的控制思想、簡(jiǎn)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能贏得了迅速的發(fā)展。

在定子坐標(biāo)系下將空間劃分為六個(gè)區(qū)間，在其中的任意一個(gè)區(qū)間內(nèi)，通過(guò)施加不同的電壓矢量可以改變磁鏈的大小和運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角，控制輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

DTC系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)矩環(huán)和磁鏈環(huán)組成的，而對(duì)于異步電機(jī)而言，定子電流也是由磁鏈電流和轉(zhuǎn)矩電流組成的。因此，只要能夠在電機(jī)起動(dòng)階段將激磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別限制在一定的范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)的起動(dòng)電流就能得到有效的控制。

3無(wú)速度傳感器控制

盡管在部分產(chǎn)品銷(xiāo)售宣傳的時(shí)候，有著DTC技術(shù)擁有著用無(wú)速度傳感器來(lái)控制DTC變頻器，并且在零速狀態(tài)下達(dá)到滿負(fù)荷輸出的說(shuō)法，不過(guò)此類(lèi)說(shuō)法是錯(cuò)誤的。不管是VC還是DTC所采用的都是完全一樣的交流電機(jī)的設(shè)計(jì)模型，不過(guò)DTC卻沒(méi)有獲得有關(guān)于無(wú)速度傳感器控制的專(zhuān)利。因此就無(wú)速度傳感器控制而言，其實(shí)是屬于VC控制和DTC控制的一類(lèi)相同研究?jī)?nèi)容。國(guó)外有一個(gè)知名的教授就反復(fù)強(qiáng)調(diào)了DTC變頻器并沒(méi)有擁有很好的低速控制性，因此為樓市的變頻器獲得高速性能就必須使用ISR間接控制方式，此類(lèi)控制方式的主要原理在于使用電流及電壓來(lái)在電機(jī)模型之中獲得轉(zhuǎn)子磁鏈，同時(shí)可以讓轉(zhuǎn)子磁鏈控制來(lái)對(duì)DTC低速性能進(jìn)行補(bǔ)償。其實(shí)對(duì)于控制系統(tǒng)而言，當(dāng)在低速的時(shí)候使用ISR，一旦速度獲得提升才會(huì)進(jìn)入DTC狀態(tài)，這就意味著需要利用VC來(lái)對(duì)DTC進(jìn)行低速控制。就無(wú)速度傳感器而言，其是交流電機(jī)調(diào)速控制研究之中的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，同時(shí)也是在變頻器生產(chǎn)制造之中的一個(gè)關(guān)鍵研究方向。現(xiàn)在我們國(guó)家已經(jīng)投入了大量的研究于無(wú)速度傳感器之中，不過(guò)離發(fā)達(dá)國(guó)家的水平還有一段距離。

4變頻器穩(wěn)態(tài)特征

其實(shí)，DTC變頻器的控制系統(tǒng)擁有優(yōu)秀的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，不過(guò)此類(lèi)變頻器卻不擁有確定的開(kāi)關(guān)頻率，因此時(shí)常會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)變化，在分析了DTC變頻器之后發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)主要問(wèn)題。首先是在電子電力元器件有著相同的情況之下，變頻器只會(huì)擁有比較小的輸出容量。其次就是變頻器效率會(huì)比較低，而且變頻器輸出電壓也會(huì)比較大。再者是變頻器推動(dòng)有較大的電流諧波和電壓。最后，在客觀的分析之下，相比于矢量控制而言，DTC的變頻器還是存在著較大的區(qū)別的，這也將意味著很難在開(kāi)關(guān)頻率確定的基礎(chǔ)之下消除諧波PWM控制。因此，從客觀層面上來(lái)看，比較于VC形式而言，DTC控制變頻器并沒(méi)有足夠優(yōu)良的實(shí)際穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，所以，倘若通用變頻器沒(méi)有嚴(yán)格的要求動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的話，那么最為主要的就是實(shí)際的效率、容量利用率和實(shí)際變頻器諧波。其實(shí)，VC模式具有特別高的應(yīng)用意義同時(shí)擁有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)。所以對(duì)一部分的大眾型傳感設(shè)備而言，倘若工作人員選擇的是高壓三電平變頻器，就必須要時(shí)刻關(guān)注著變頻器具體容量指標(biāo)以及實(shí)際效率。

5轉(zhuǎn)矩響應(yīng)分析

在使用了DTC對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了直接轉(zhuǎn)矩控制之后，相關(guān)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度明顯要高于矢量控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)之中，相關(guān)轉(zhuǎn)矩階躍的響應(yīng)速度大約為1m/s。而在矢量控制系統(tǒng)之中，相關(guān)轉(zhuǎn)矩階躍響大約為6至7m/s。而DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度比矢量控制更快的原因一般在于對(duì)于DTC制系統(tǒng)而言，所計(jì)算出的實(shí)際定子轉(zhuǎn)矩大多是通過(guò)相應(yīng)電機(jī)電壓和實(shí)際電流得出的，那么為了使相應(yīng)變頻器PWM控制達(dá)到相應(yīng)要求，所使用的必須為統(tǒng)一控制模式。

6結(jié)語(yǔ)：

總而言之，在討論了VC技術(shù)和DTC技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容之后，必須要完全將市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中含有的商業(yè)因素加以排除，實(shí)際的目的是在于在了解了相關(guān)技術(shù)真實(shí)面目之后不斷加強(qiáng)對(duì)VC技術(shù)和DTC技術(shù)的相關(guān)實(shí)踐以及理論研究。

參考文獻(xiàn)

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[3]王占奎.交流電機(jī)變頻調(diào)速的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志.2017（03）

（作者單位：德龍鋼鐵有限公司）