感應電機控制方法綜述

丁 勇，王顯宇，張 俊，潘柏根

（安徽皖南電機股份有限公司，安徽 宣城242500）

1 感應電機穩(wěn)態(tài)模型

感應電機定子與轉(zhuǎn)子發(fā)生相對運動時，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組間的互感跟隨位置變化，即關于時間的函數(shù)，為了便于研究感應電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性，通過坐標變化將感應電機的電感轉(zhuǎn)變?yōu)槌?shù)進行分析。單相穩(wěn)態(tài)等效電路如圖1所示。

圖1 單相穩(wěn)態(tài)等效電路

對于感應電機而言，各相之間保持嚴格的對稱關系，單相特性可以說明多相規(guī)律。在上述感應電機的單相等效電路中，根據(jù)感應電機原理，將定子和轉(zhuǎn)子均看作是由電阻和漏感兩部分組成。勵磁電路在定子與轉(zhuǎn)子之間建立氣隙磁場，并聯(lián)支路中的電流為勵磁電流，一般為額定電流的30%左右。感應電機的輸入功率通過定子繞組發(fā)熱形式損耗一部分，其他的通過氣隙磁場的能量轉(zhuǎn)換進行功率傳遞，傳遞給轉(zhuǎn)子的功率一般稱為氣隙功率，一部分被轉(zhuǎn)子內(nèi)阻和相對運動產(chǎn)生的機械損耗消耗，余下部分作為感應電機輸出端的輸出功率。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關系可表示為：

式（1）（2）（3）中：Pq為氣隙功率；s為轉(zhuǎn)差率；Pj為機械功率；Pr-cu為轉(zhuǎn)子銅損；T為轉(zhuǎn)矩；ωm為轉(zhuǎn)子機械角速度；ωe為同步電角速度。

根據(jù)戴維南定理，將圖1中勵磁部分合并到定子部分進行簡化，可得：

式（4）中：Vd為輸入電壓；Xd為簡化總電抗。

2 定子電壓控制

感應電機的電源端的供電頻率和電機的極數(shù)決定電機的同步轉(zhuǎn)速。由轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩之間的關系可知，電壓不能改變同步轉(zhuǎn)速，其大小可以改變轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關系曲線的形狀。電機穩(wěn)態(tài)運行時，電機輸出端拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速隨著電壓的降低而降低。根據(jù)公式（4）可知，不同供電電壓下，臨界轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，由指數(shù)函數(shù)的變化趨勢可知，電壓減小會導致臨界轉(zhuǎn)矩迅速減小。電壓控制的不足之處在于降低電壓會增大轉(zhuǎn)差率，進而導致電機損耗的增加，影響電機的效率。

3 定子頻率控制

定子頻率控制一般在額定頻率以上進行調(diào)速，如果供電頻率小于額定頻率，在電壓不變的情況下，勵磁電路的感抗降低，此時的勵磁電流會大于額定勵磁電流，磁路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，磁路飽和會導致?lián)p耗增加。

因此，定子頻率控制一般應用于供電頻率大于額定頻率的情況下。供電頻率大于額定頻率時，同步轉(zhuǎn)速增加，且在臨界轉(zhuǎn)矩以上的部分保持迅速線性下降的趨勢。該控制方法下的臨界轉(zhuǎn)矩與供電頻率的平方成反比。定子頻率控制方式的優(yōu)點在于使電機維持較高的輸出效率，不足之處在于對電源的輸入頻率要求較高。

4 恒V/f控制

針對電機定子頻率控制方式的不足，在供電頻率小于額定頻率時可以通過協(xié)調(diào)控制電壓和頻率同步變化的方式來避免出現(xiàn)磁路飽和和電流過大的問題。在該控制方法中，保持電壓與頻率的比值恒定時，頻率改變，臨界轉(zhuǎn)矩基本保持不變。這種控制方式的優(yōu)點在于低速可以產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。該控制的不足之處在于頻率降低且電壓降低時，磁通減小導致轉(zhuǎn)矩的減小。這種情況可以通過低頻范圍內(nèi)采用電流控制策略調(diào)解電機的勵磁電流進行解決。

5 磁場矢量控制

感應電機根據(jù)模仿塔里直流電機的特性發(fā)展出磁場矢量控制方式。如果直流電機勵磁電流恒定，電機轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)電樞電流確定，勵磁繞組和電樞繞組產(chǎn)生相互垂直的磁場。在感應電機中，定子中電流產(chǎn)生磁場和轉(zhuǎn)矩電流，可以將坐標系轉(zhuǎn)化為這兩個電流分量，進而實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的分開控制。

6 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)電機輸出轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈直接確定電機定子電壓，沒有定子電流的控制，這是與磁場矢量控制的不同之處。一般直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)建立在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制和磁鏈滯環(huán)控制基礎上，其中變流器的開關頻率不確定。也可以通過電壓合成技術，在恒定的開關頻率情形下實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制。

7 結(jié)束語

電機在應用過程中，需要根據(jù)不同的要求進行運行狀態(tài)的調(diào)整。本文在電機簡化模型的基礎上，根據(jù)電機運行特性中轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關系，分析了理論上的感應電機的控制方式，每種控制方式均有優(yōu)勢和不足。實際應用中，本文能夠為電機控制方式的選擇提供相應的指導。