DSP的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)要點(diǎn)分析

岑仕誠(chéng)

摘 要：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，為了能夠滿足不同工況的要求，需要做好相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)，而對(duì)于交流異步電機(jī)而言，比較常見(jiàn)的調(diào)速方式包括電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速等，其本身的效率較差。對(duì)此，需要引入全新的變頻調(diào)速技術(shù)。文章對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并就其技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了討論和闡述。

關(guān)鍵詞：DSP；交流異步電動(dòng)機(jī)；變頻調(diào)速；技術(shù)要點(diǎn)

前言

電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型多樣，而直流電動(dòng)機(jī)和三相交流異步電動(dòng)機(jī)是其中最具典型意義的兩種。兩相對(duì)比，交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作便利、運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)，因此在傳動(dòng)領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用。做好電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速操作，可以改善電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩同時(shí)減少電能消耗，對(duì)于電動(dòng)機(jī)功能的發(fā)揮意義重大。

1 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀

就目前而言，應(yīng)用最為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制系統(tǒng)，基本上能夠滿足常規(guī)的平滑調(diào)速要求。不過(guò)系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能相對(duì)有限，想要提升需要采用帶有轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制?；诖?，研究人員對(duì)自身的思路進(jìn)行了拓展，提出了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。但是其僅僅適用于轉(zhuǎn)速變化相對(duì)緩慢的場(chǎng)合，而如果要求電動(dòng)機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié)，則會(huì)在穩(wěn)態(tài)電流的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，使得電動(dòng)機(jī)的性能無(wú)法充分發(fā)揮出來(lái)[1]。

2 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)要點(diǎn)

DSP即數(shù)字信號(hào)處理，其在許多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，其基本原理，是將事物的運(yùn)動(dòng)變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字，結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算方法，從數(shù)字中提取出有用信息，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。而電機(jī)控制專(zhuān)用DSP的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)變頻控制中存在的缺陷和問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的全數(shù)字化。而對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)而言，變頻調(diào)速是最為典型同時(shí)也非常高效的一種調(diào)速方法，能夠在實(shí)現(xiàn)無(wú)極變頻調(diào)速的同時(shí)，結(jié)合電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性，對(duì)電壓與頻率的關(guān)系進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，使得電動(dòng)機(jī)可以始終保持高效運(yùn)行。交流變頻調(diào)速在調(diào)速方面與直流電動(dòng)機(jī)的變壓調(diào)速系統(tǒng)類(lèi)似，采用的是平行上下移動(dòng)而轉(zhuǎn)差功率固定的模式。

這里對(duì)DSP的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中存在的問(wèn)題及解決對(duì)策進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)直接影響著交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率，而其本身的不穩(wěn)定性不僅影響了系統(tǒng)本身的穩(wěn)定狀態(tài)，使得變頻閾值容易超出正常的誤差標(biāo)準(zhǔn)范圍，如果長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，還可能會(huì)引發(fā)系統(tǒng)反應(yīng)遲緩問(wèn)題，影響電動(dòng)機(jī)的工作效率。如果變頻調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到最高運(yùn)行速度，則磁鏈滯環(huán)本身會(huì)呈現(xiàn)出高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，使得電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率增加。而電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在的交流分量則會(huì)在一定程度上分流轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)中的信號(hào)，使得其頻率能夠保持在相對(duì)正常的范圍內(nèi)。但是，如果變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行速度降低，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁鏈轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之下降，繼而引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的周期性波動(dòng)。在這種情況下，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行控制，就成為了提升電動(dòng)機(jī)整體性能的關(guān)鍵所在。

2.2 開(kāi)關(guān)頻率變化

存在有感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部的變頻調(diào)速系統(tǒng)是通過(guò)直接轉(zhuǎn)矩控制完成對(duì)于頻率的響應(yīng)，而直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以進(jìn)一步分為電動(dòng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)兩個(gè)獨(dú)立的單元，在其影響下，系統(tǒng)不僅能夠?qū)鞲衅鬟M(jìn)行有效控制，還可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)反應(yīng)，完成對(duì)電機(jī)的數(shù)字化控制。而在系統(tǒng)中，主要是通過(guò)電壓型逆變器的控制，實(shí)現(xiàn)電力開(kāi)關(guān)切換，開(kāi)關(guān)閉合回路通電后，電動(dòng)機(jī)周邊會(huì)形成磁場(chǎng)，近似圓形，而伴隨著電機(jī)輸出功率的增大，磁場(chǎng)的強(qiáng)度也會(huì)隨之上升，電機(jī)的多項(xiàng)參數(shù)（溫度、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、諧波損耗等）則會(huì)有所下降。

而在交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速中，開(kāi)關(guān)頻率的控制是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，這也是確保感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。但是，即使引入了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)，系統(tǒng)在程序計(jì)算以及開(kāi)關(guān)動(dòng)作方面仍不可避免的存在著延遲問(wèn)題，較長(zhǎng)的延遲時(shí)間會(huì)直接影響開(kāi)關(guān)切換的頻率，同時(shí)可能增大采樣周期之間的轉(zhuǎn)矩誤差，繼而影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)作[2]。

2.3 定子磁鏈與定子電阻辨識(shí)

通常來(lái)講，直接轉(zhuǎn)矩控制在對(duì)定子磁鏈進(jìn)行估算時(shí)，采用的多是壓電模型，而從定子磁場(chǎng)本身的定向特性考慮，壓電模型的機(jī)電參數(shù)存在著與定子電阻的直接聯(lián)系。對(duì)其進(jìn)行細(xì)致分析，如果定子本身處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，其會(huì)完成對(duì)電磁線的快速切割，進(jìn)而在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生較為巨大的交流電流。此時(shí)，結(jié)合相應(yīng)的公式計(jì)算，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的定子電阻，以計(jì)算出的定子電阻為依據(jù)，可以進(jìn)行定子磁鏈的推算；反之，如果定子本身的轉(zhuǎn)速相對(duì)緩慢，定子電流會(huì)有所下降，在交流電動(dòng)機(jī)恒定的額定電壓下，定子電阻的阻值會(huì)在較大的范圍內(nèi)波動(dòng)變化，最終結(jié)果就是定子磁鏈的失準(zhǔn)。就目前而言，絕大多數(shù)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)都是采用超出標(biāo)準(zhǔn)速度的定子磁鏈來(lái)作為壓電模型，以保證系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

而在壓電模型中，積分環(huán)節(jié)對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部電流發(fā)揮著相應(yīng)的損耗積累作用，如果不能及時(shí)對(duì)內(nèi)部積累的電流進(jìn)行疏導(dǎo)和消除，則較大的電流可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)內(nèi)部擊穿故障，影響設(shè)備的使用安全。對(duì)此，可以選擇利用一階低通濾波器來(lái)對(duì)單純的積分環(huán)節(jié)進(jìn)行替代，結(jié)合濾波器本身的濾波和整流功能，將內(nèi)部積累的電流經(jīng)分流后排出，以降低磁鏈在數(shù)據(jù)層面的誤差。

2.4 變頻調(diào)速控制類(lèi)型

除上文提到的恒壓頻比控制，比較典型的變頻調(diào)速控制類(lèi)型還有三種，一是轉(zhuǎn)差頻率控制，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率的正比關(guān)系，通過(guò)控制電樞電流的方式來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。在頻率控制中，可以將轉(zhuǎn)差信號(hào)與實(shí)際測(cè)量得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)相加后，得到輸入頻率信號(hào)；二是矢量控制，也可以成為磁場(chǎng)定向控制，其基本原理，是將轉(zhuǎn)子磁通作為空間的參考坐標(biāo)，通過(guò)靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，對(duì)定子電流中的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁電流分量轉(zhuǎn)化為標(biāo)量，分別進(jìn)行控制。簡(jiǎn)單來(lái)講，矢量控制將異步電動(dòng)機(jī)看做直流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，具備較好的調(diào)速性能。但是，這種控制策略需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，對(duì)于控制器的處理能力和運(yùn)算速度要求較高，而且需要進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，因此在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)；三是直接轉(zhuǎn)矩控制，主要是結(jié)合交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的需要，選擇恰當(dāng)?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，以完成對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，交流電機(jī)與電壓源逆變器被看作是一個(gè)整體，定子靜止在兩項(xiàng)坐標(biāo)系中，通過(guò)對(duì)定子空間矢量的選擇，進(jìn)行定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩變化的分析，避免了矢量變化的計(jì)算，因此控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在當(dāng)前的技術(shù)條件下可以非常方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，交流異步電動(dòng)機(jī)不僅本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本相對(duì)低廉，而且可靠性和適用性好，在運(yùn)行過(guò)程中很少出現(xiàn)機(jī)械故障，因此在傳動(dòng)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。為了更好的適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，需要結(jié)合變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)控制，提升電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的效率和效果，確保其功能的充分發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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