交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制技術(shù)探究

孫彬

【摘 要】隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速已逐步成為交流異步電動機最為理想的調(diào)速方式之一。交流異步電動機機組發(fā)電過程中，通過變頻調(diào)速實現(xiàn)電壓輸出，采用電磁耦合器進行輸出變頻轉(zhuǎn)矩控制，實現(xiàn)交流異步電動機的穩(wěn)壓輸出，在交流異步電動機發(fā)電過程中，受到變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)矩差異性輸出的影響，導(dǎo)致電動機的輸出穩(wěn)壓性不好，需要進行調(diào)速自動控制。本文就交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制技術(shù)展開探討。

【關(guān)鍵詞】交流異步電動機；變頻調(diào)速；自動控制

引言

電動機的類型多樣，而直流電動機和三相交流異步電動機是其中最具典型意義的兩種。兩相對比，交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作便利、運行可靠等優(yōu)勢，因此在傳動領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用。做好電動機的變頻調(diào)速操作，可以改善電動機起動性能，增加起動轉(zhuǎn)矩同時減少電能消耗，對于電動機功能的發(fā)揮意義重大。

1異步電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

電動機可以分為直流電動機和交流電動機。因為交流電動機相對于直流電動機來講，更具有優(yōu)越性，因此無論是從功能上來講，還是從用途、形式上來講都具有多樣性、不唯一性。異步電動機作為交流電動機的一類，也有著廣泛的應(yīng)用。異步電動機具有很多的優(yōu)點，比如說轉(zhuǎn)動慣量十分小、制造工藝簡單、運行可靠、機身堅固耐用等。但是因為科技發(fā)展存在的滯后性，約束了異步電動機，使其不能夠真正的發(fā)展成為調(diào)速電動機，只能夠采用一些低消耗能的調(diào)速方法，比如定子調(diào)壓和電磁調(diào)速方法。隨著動力設(shè)備和用電量的不斷增加，世界各國都開始探索既符合生產(chǎn)發(fā)展又能夠節(jié)省電力的電動機，這才真正的開啟了異步電動機調(diào)速技術(shù)的新紀元。

2變頻調(diào)速控制類型

比較典型的變頻調(diào)速控制類型有三種，一是轉(zhuǎn)差頻率控制，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)合異步電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率的正比關(guān)系，通過控制電樞電流的方式來對電機轉(zhuǎn)矩進行控制。在頻率控制中，可以將轉(zhuǎn)差信號與實際測量得到的轉(zhuǎn)速信號相加后，得到輸入頻率信號；二是矢量控制，也可以成為磁場定向控制，其基本原理，是將轉(zhuǎn)子磁通作為空間的參考坐標，通過靜止坐標系到旋轉(zhuǎn)坐標系的轉(zhuǎn)換，對定子電流中的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁電流分量轉(zhuǎn)化為標量，分別進行控制。簡單來講，矢量控制將異步電動機看做直流電動機來實現(xiàn)控制，具備較好的調(diào)速性能。但是，這種控制策略需要進行大量的運算，對于控制器的處理能力和運算速度要求較高，而且需要進行坐標旋轉(zhuǎn)變換，因此在實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)；三是直接轉(zhuǎn)矩控制，主要是結(jié)合交流電動機轉(zhuǎn)矩的需要，選擇恰當?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，以完成對電動機電磁轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，交流電機與電壓源逆變器被看作是一個整體，定子靜止在兩項坐標系中，通過對定子空間矢量的選擇，進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算，因此控制結(jié)構(gòu)相對簡單，在當前的技術(shù)條件下可以非常方便的實現(xiàn)數(shù)字化控制。

3異步電動機電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)態(tài)機械特性

（1）恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性。異步電機在恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式Te=f（s），當定子電壓和電源角頻率恒定時，可以得到下式：

當s接近于1時，可忽略式中的分母Rr，就可以得到對稱于原點的一段雙曲線。（如圖1）

圖1恒壓恒頻時異步電機的機械特性

（2）基頻以下電壓——頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性。當帶負載的異步電動機穩(wěn)定的運行時，電壓和頻率的配合方式有許多種。當電壓和頻率的配合不同時，其所產(chǎn)生的機械特性也是不一樣的，所以說對于電壓——頻率的協(xié)調(diào)控制存在著很多的方式。

4電動機變頻調(diào)速控制器的優(yōu)化

在構(gòu)建交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制約束參量模型和被控對象描述的基礎(chǔ)上，進行控制器的優(yōu)化設(shè)計，本文提出基于穩(wěn)壓補償自適應(yīng)調(diào)節(jié)的交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制技術(shù)。構(gòu)建交流異步電動機的穩(wěn)壓補償自適應(yīng)調(diào)節(jié)模型為：

其中 分別表示行高頻控制變量、輸入功率函數(shù)以及誤差干擾項。結(jié)合時滯誤差補償，得到在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)下的交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制狀態(tài)方程為：

式中，Wj是電動機調(diào)速控制的加權(quán)系數(shù)，Sf是與其對應(yīng)的電流值，Ps是輸出功率損失，是電動機的傳動相位，x是交流異步電動機轉(zhuǎn)矩角速度，x是輸出電機負載慣量。由此采用Smith控制器進行異步電動機的變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，結(jié)合前饋補償方法進行輸出電壓的恒穩(wěn)控制，得到最優(yōu)控制律為：

在優(yōu)化控制模型下，電動機的輸出功率為：

電動機變頻調(diào)速的效率因素為：

其中： 根據(jù)上述控制律優(yōu)化設(shè)計，在負載為Rp和Rs的條件下，實現(xiàn)功率增益補償和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，提高輸出功率和穩(wěn)壓性能。

結(jié)語

在交流異步電動機發(fā)電過程中，受到變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)矩差異性輸出的影響，導(dǎo)致電動機的輸出穩(wěn)壓性不好，需要進行調(diào)速自動控制。本文提出基于穩(wěn)壓補償自適應(yīng)調(diào)節(jié)的交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制技術(shù)，構(gòu)建交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制約束參量模型，以共振線圈的轉(zhuǎn)矩、輸出功率、穩(wěn)態(tài)電壓以及負載等參量為約束指標，進行控制目標函數(shù)構(gòu)建，并進行控制律的優(yōu)化設(shè)計。本文方法在提高交流異步電動機變頻調(diào)速自動控制性能方面的優(yōu)越性。

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（作者單位：德州恒力電機有限責任公司）