智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計

朱宗震 王超超 張鵬

摘 要：本文對智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了簡單介紹，重點講解了矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，對恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)效率的優(yōu)化方法進行了闡釋。本文還結合具體的感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型進行仿真實驗，說明了智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要作用。

關鍵詞：感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)；工作原理；優(yōu)化方法；仿真實驗

中圖分類號：TM346 文獻標志碼：A

1 智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)概述

智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)是21世紀應用最為普遍、范圍最廣泛的一種交流調(diào)速系統(tǒng)。當今社會常見的交流調(diào)速系統(tǒng)的組成部分主要包括：交流電動機、電量檢測器、控制器和電力電子功率變換器等。

其中，變頻器中包含了電量檢測器、控制器以及電力電子功率變換器。因為智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構通常較為簡單，并且牢固性好，需要的維護量少，價格也相對便宜。因此，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)受到了大量的追捧與好評。就智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構而言，可以說，其是工作機械、變頻器以及感應電動機等裝置共同合成的機電系統(tǒng)。

在電機調(diào)速系統(tǒng)中，電機調(diào)速系統(tǒng)被分成了異步和同步兩種電動機調(diào)速系統(tǒng)。而對于同步電機調(diào)速系統(tǒng)而言，其又被劃分成為他控式和自控式兩種變頻調(diào)速系統(tǒng)。對于異步電機調(diào)速系統(tǒng)而言，其又被劃分成為三大類調(diào)速系統(tǒng)，它們分別是：

①直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)。

②矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

③恒壓頻比控制交流調(diào)速系統(tǒng)。

因為在現(xiàn)代社會中對矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)以及直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)的運用最為常見，因此，本節(jié)將對以上兩種調(diào)速系統(tǒng)做重點介紹。

1.1 矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

通常情況下，由于矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理的關系，其又可以被稱之為磁場定向控制。下面對矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理進行簡單說明。

在矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，一般把磁場的矢量方向認為是坐標軸的基準方向，而電動機中的電流大小與電流方向通常以瞬時值進行計算?；谝陨戏治觯噶孔儞Q控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)進行運作的目的就是為了把位于三相坐標系中形成的定子電流轉(zhuǎn)變成為二相靜止坐標系中存在的交流電流，并在此基礎上利用定子磁場的轉(zhuǎn)換作用，形成相應坐標下的支流電流。也就是說，矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)工作的實質(zhì)在于：通過等效轉(zhuǎn)變，把交流電流轉(zhuǎn)化為直流電流，從而實現(xiàn)對速度與磁場的控制，并在此基礎上通過對轉(zhuǎn)子磁鏈的控制，使定子電流被分解開來，進而獲取相應的轉(zhuǎn)矩及磁場。最后，再利用矢量坐標進行相關換算，以充分發(fā)揮矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)良好的調(diào)速功能。

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)

在直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)矩的控制主要是通過對電流和磁鏈的控制間接實現(xiàn)的。而所謂的直接轉(zhuǎn)矩控制，實際上是利用空間矢量分析法，通過定子磁場定向的方式達到對定子磁鏈以及電磁轉(zhuǎn)矩直接控制的目的。這種方式不僅是矢量轉(zhuǎn)換過程中必需的、大量的空間計算過程被全部省略，而且降低了因為參數(shù)變化造成調(diào)速性能受到影響的可能性，使交流調(diào)速系統(tǒng)整體性能大幅度提升?？梢哉f，直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)對感應電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與進步做出了巨大的貢獻。

2 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化

進行恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化的目的在于：盡可能地把智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行工況控制并穩(wěn)定在最佳狀態(tài)。想要實現(xiàn)恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化，其關鍵在于：

2.1 對恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率進行控制

如果電機運行狀態(tài)相對穩(wěn)定，并且不計電磁飽和情況、機定轉(zhuǎn)子漏感以及環(huán)境溫度造成的電機參數(shù)的極小變化，可以通過下式計算得到電機的最優(yōu)轉(zhuǎn)化頻率。

最優(yōu)轉(zhuǎn)化頻率計算方法可以有效實現(xiàn)對電機最優(yōu)轉(zhuǎn)化頻率的控制，可以為保證電機位于最佳狀態(tài)提供強大的支撐。

2.2 對恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構進行控制

要想使電機能夠充分發(fā)揮其最大效能，那么除了對恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)化頻率進行嚴格把控之外，根據(jù)具體運行環(huán)境和條件，合理控制電機結構，最大限度地減少結構可能產(chǎn)生的影響也十分關鍵。

3 感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型與仿真

下面通過電機仿真實驗驗證電機的實際效果，圖1為智能化感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖。

以圖1為基礎，在原電機中加入定子磁鏈計算模塊以實現(xiàn)電機效率的優(yōu)化。實驗表明，當電機處于空載運行狀態(tài)以及增加負載運行的時候，其可以在極短的時間內(nèi)進入穩(wěn)定狀態(tài)。當把系統(tǒng)調(diào)整至最佳效率位置時，在沒有負載狀態(tài)下電機保持穩(wěn)定運行。當施加5N·m負載轉(zhuǎn)矩的時候，電機損耗降低，效率提高。當施加10N·m負載轉(zhuǎn)矩的時候，電機損耗繼續(xù)減少，效率進一步提高，不過變化相對偏小。基于以上分析可以得出，當電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)位于輕負載狀態(tài)的時候，其優(yōu)化效果最為明顯。

結語

為了方便生產(chǎn)與生活，更好地服務于大眾，必須高度重視智能化感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)與發(fā)展。

參考文獻

[1]趙相賓，夏長亮，宋國蘭.變頻調(diào)速技術的進展[J].電力電子技術，2005，39（6）：145-148.

[2]楊敏紅，項安，侯智斌，等.感應電動機轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的最優(yōu)效率研究[J].微特電機，2012，40（9）：4-5.