交流電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)控制技術(shù)研究

王曉洋，馬 浩

（西寧特殊剛股份有限公司，青海西寧 810003）

交流電動(dòng)機(jī)是一種換能設(shè)備，主要作用是將交流電轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能可驅(qū)動(dòng)其他設(shè)備，代替人工完成相關(guān)動(dòng)作，有助于提高相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率，因此交流電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代早已普及。交流電動(dòng)機(jī)的換能過程是否穩(wěn)定、換能結(jié)果質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，取決于換能期間的電氣傳動(dòng)環(huán)節(jié)，若該環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，就會(huì)對(duì)換能過程與換能結(jié)果質(zhì)量造成負(fù)面影響，間接導(dǎo)致生產(chǎn)也受到影響。故為了避免相關(guān)問題發(fā)生，需要對(duì)交流電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)過程進(jìn)行控制。而為了實(shí)現(xiàn)有效控制，保障控制質(zhì)量，就要了解相關(guān)控制技術(shù)，以便正確選型，因此有必要展開相關(guān)研究。

1 交流電動(dòng)機(jī)基本情況及電氣傳動(dòng)常見方式

1.1 基本情況

交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有一個(gè)能產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組（一般為電磁鐵繞組，小部分電動(dòng)機(jī)會(huì)選擇分布式定子繞組）、一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞（或轉(zhuǎn)子），運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通電線圈將在磁場(chǎng)作用下受力而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由此開始換能。

根據(jù)換能模式，交流電動(dòng)機(jī)可以分為兩類，分別為同步交流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。兩者的共同之處是磁場(chǎng)產(chǎn)生方式，即兩者均依靠定子側(cè)繞組通入交流電來產(chǎn)生磁場(chǎng)，不同之處在于前者的轉(zhuǎn)子繞組需要在激磁機(jī)提供的直流電作用下才能運(yùn)作，然后產(chǎn)生磁場(chǎng)，后者則無需激磁機(jī)幫助，且轉(zhuǎn)子繞組不需要通入電流。

目前比較常見的交流電動(dòng)機(jī)是三相電動(dòng)機(jī)（同步或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)都可以是三相式），這種電動(dòng)機(jī)的定子繞組一般是由3個(gè)相互獨(dú)立的120°線圈組成，通入電流之后每個(gè)線圈中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，3個(gè)磁場(chǎng)合而為一就形成了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電流每一次全振動(dòng)的時(shí)間與旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速率相同，也就是說每次全振動(dòng)結(jié)束時(shí)磁場(chǎng)正好完成一周旋轉(zhuǎn)，其中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為60 r/min。

另外，兩種交流電動(dòng)機(jī)中的同步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同的特點(diǎn)，這一點(diǎn)不會(huì)因?yàn)樨?fù)載大小而變化，這種電動(dòng)機(jī)也因此而得名，但具體轉(zhuǎn)速的大小取決于電源頻率。與之相反，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也被稱為異步電動(dòng)機(jī)，顧名思義，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速并不相同，存在差異，具體取決于負(fù)載與電源電壓大小。

1.2 電氣傳動(dòng)常見方式

電氣傳動(dòng)是交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)作過程中將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后，利用機(jī)械能帶動(dòng)其他機(jī)械設(shè)備發(fā)生動(dòng)作的一種動(dòng)力移動(dòng)方式，其不僅能夠給其他機(jī)械設(shè)備提供動(dòng)力，還能對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩、角加速度、轉(zhuǎn)速、角位移及其他機(jī)械設(shè)備的起動(dòng)、運(yùn)行、變速、制動(dòng)等進(jìn)行控制。

交流電動(dòng)機(jī)的電氣傳動(dòng)方式被稱為交流傳動(dòng)，這種傳動(dòng)一般需要在50 Hz 交流電源基礎(chǔ)上進(jìn)行（特殊情況除外），電源一般為高效靜止變流裝置。具體傳動(dòng)方式有3種，內(nèi)容如下。

（1）成組傳動(dòng)。主要利用皮帶輪和皮帶的組合來進(jìn)行傳動(dòng)，即將交流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，利用皮帶輪與皮帶組合與其他機(jī)械設(shè)備組合來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。成組傳動(dòng)是最傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式，雖然原理簡(jiǎn)單、實(shí)施便捷，但存在效率低、勞動(dòng)條件差的缺陷，且一旦在傳動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，那么就會(huì)出現(xiàn)整組停運(yùn)的問題，因此這種傳動(dòng)方式已不是很常見，只能在一些小型工坊中看到。

（2）單電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。是一種使用單臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)單臺(tái)其他機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)方式，具有動(dòng)力傳遞裝置損耗小、安裝便捷、容易布置等優(yōu)點(diǎn)。但這種傳動(dòng)方式并不建議在大型組織中使用，原因在于大型組織中很多機(jī)械設(shè)備的控制邏輯比較復(fù)雜，而單臺(tái)電動(dòng)機(jī)只能對(duì)某個(gè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行整體驅(qū)動(dòng)，說明這種傳動(dòng)方式無法用于復(fù)雜機(jī)械運(yùn)作。

（3）多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。這種方式專門針對(duì)復(fù)雜機(jī)械，即復(fù)雜機(jī)械大多具有多根轉(zhuǎn)軸，這些轉(zhuǎn)軸本身具有一定的獨(dú)立性，能夠采用不同的轉(zhuǎn)速分開運(yùn)作，而不同轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速取決于電動(dòng)機(jī)，故設(shè)置多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，對(duì)不同轉(zhuǎn)軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)相關(guān)電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)過程進(jìn)行控制，能夠間接調(diào)整不同轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)分開運(yùn)作。多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的出現(xiàn)使得電氣自動(dòng)化水平大幅提升，因此這種方式在現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)中非常普及。

2 電氣傳動(dòng)控制技術(shù)

2.1 變頻器控制

變頻器控制技術(shù)的核心設(shè)備為變頻器，該設(shè)備的主要功能就是調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的電源頻率，因此結(jié)合上述的論述可以看出，這種控制技術(shù)比較適用于同步交流電動(dòng)機(jī)的電氣傳動(dòng)控制當(dāng)中?？捎糜诮涣麟妱?dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)控制中的變頻器類型繁多，但當(dāng)前主要使用的有兩種。①電流型逆變器。這種變頻器的特點(diǎn)是對(duì)電流進(jìn)行直接控制，操作方式比較簡(jiǎn)便，但是在控制能力上相對(duì)較弱，同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏便捷性，不利于安裝。應(yīng)用中還需要通過其他主電路對(duì)電流型逆變器本身進(jìn)行控制，因此大多數(shù)情況下并不建議使用電流型逆變器。②電壓型逆變器。這種變頻器最為常見，原因在于電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)潔，控制能力較強(qiáng)，也不需要主電路進(jìn)行額外控制，因此電壓型逆變器得到了人們更多的青睞。兩種變頻器在對(duì)改變轉(zhuǎn)向或加速的機(jī)械系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為突出，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，但相比之下，前者一般只能用于具有一定再生能力的機(jī)械系統(tǒng)中，而后者除了能夠應(yīng)用在這種系統(tǒng)以外，也能應(yīng)用到高性能系統(tǒng)中。

因?yàn)殡妷盒湍孀兤魇褂幂^多，所以以電壓型逆變器為例進(jìn)行分析。這種變頻器的主要原理是利用直流電壓進(jìn)行固定控制，然后利用脈沖寬度對(duì)逆變器進(jìn)行控制，即變頻器上有專門控制脈沖寬度的開關(guān)，依靠開關(guān)可以對(duì)脈沖寬度進(jìn)行切換式控制。值得一提的是，早期電壓型逆變器的脈沖寬度控制選擇比較少，基本上只有“大”和“小”等個(gè)別集中選擇，但隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)代一些先進(jìn)的電壓型逆變器脈沖寬度控制都具有參數(shù)化特征，結(jié)合旋鈕開關(guān)提供控制選擇，因此建議采用先進(jìn)型電壓型逆變器，這對(duì)電氣傳動(dòng)質(zhì)量也有很好的幫助，能讓人們根據(jù)實(shí)際需求來設(shè)定控制方案與參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。脈沖寬度控制的優(yōu)勢(shì)在于限制噪聲，即相比于其他電壓型逆變器控制手段，脈沖寬度控制所產(chǎn)生的高次諧波比較小，因此能夠大幅限制噪聲形成，而交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也因此能達(dá)到理想水平，使得電氣傳動(dòng)中的電壓利用率最大化。

以工業(yè)生產(chǎn)為例，脈沖寬度控制的要點(diǎn)在于建立脈沖模型，依靠脈沖模型能夠?qū)涣麟妱?dòng)機(jī)的每個(gè)相位進(jìn)行分析，可得到各相位準(zhǔn)確的電壓數(shù)據(jù)，這樣就能對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，結(jié)合控制軟件即可自動(dòng)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制，間接使得電氣傳動(dòng)可控制。關(guān)于脈沖模型的建設(shè)，其涉及到一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即正弦波近似三角波比較法，該方法能夠讓三相電壓的指令值與輸出電壓數(shù)字對(duì)等，這樣就能利用三角波的大小數(shù)值對(duì)電壓進(jìn)行分析，得到標(biāo)準(zhǔn)控制參數(shù)，操作開關(guān)即可保障控制成果的準(zhǔn)確性?？刂七^程中輸出電壓波型在磁場(chǎng)一周內(nèi)的指令值與均值之間有一定的比例關(guān)系，根據(jù)這層關(guān)系也能獲得電動(dòng)機(jī)輸入電壓的標(biāo)準(zhǔn)值，同步結(jié)合三角波頻率能做到持續(xù)性調(diào)節(jié)。使用脈沖寬度方法對(duì)電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)，要考慮到電動(dòng)機(jī)的性能，若電動(dòng)機(jī)具有較高的感應(yīng)性能，那么就要在控制過程中做好檢測(cè)、瞬態(tài)性能分析，并根據(jù)結(jié)果正確選擇控制硬件，以免發(fā)生誤動(dòng)。另外，脈沖寬度控制方法并不是完美無缺的，事實(shí)上相比于其他同類控制方法，該方法的頻率控制、電壓控制精度上限不高，但一般情況下電氣傳動(dòng)的控制精度要求并不會(huì)超過這個(gè)上限，但如果情況特殊則要采取其他控制方法。

2.2 控制器控制

為了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)進(jìn)行控制，相關(guān)領(lǐng)域長期致力于控制技術(shù)的研究，經(jīng)過多年的開發(fā)給出了很多種控制技術(shù)，其中控制器控制技術(shù)是較具代表性的一項(xiàng)?？刂破骺刂萍夹g(shù)的核心設(shè)備是專用控制器，是一種專門針對(duì)電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)開發(fā)出來的控制設(shè)備。具體類型與電動(dòng)機(jī)類型對(duì)應(yīng)，即市面上有專門用于同步電動(dòng)機(jī)的控制器，也有專門用于感應(yīng)或其他異步電動(dòng)機(jī)的控制器，因此該項(xiàng)技術(shù)的使用要點(diǎn)之一就是科學(xué)選擇控制器。

無論選擇何種控制器，其控制原理都十分相似，即控制器控制當(dāng)中，工作人員可借助控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)形式進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，因此控制器控制技術(shù)也被成為“轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制法”。主要原理是在電流的作用力下得到較大的電磁轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩讓系統(tǒng)運(yùn)作速度加快，故依靠控制器對(duì)電流大小進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)其作用力，以改變轉(zhuǎn)矩大小，控制系統(tǒng)運(yùn)作速度，而速度的變化就代表電氣傳動(dòng)得到了控制。

控制器控制的關(guān)鍵技術(shù)為解耦控制，該項(xiàng)技術(shù)主要針對(duì)的是電動(dòng)機(jī)的矢量與轉(zhuǎn)矩，與其他關(guān)鍵技術(shù)相比，這種技術(shù)能夠在電氣傳動(dòng)中起到主導(dǎo)性作用，因此控制效果良好。關(guān)于解耦控制技術(shù)的具體實(shí)施方法，首先要對(duì)電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)速度進(jìn)行檢測(cè)，然后先對(duì)磁鏈（三相電動(dòng)機(jī)中各相位磁場(chǎng)之間的連接）進(jìn)行參數(shù)化控制，促使磁鏈保持恒定狀態(tài)，其次對(duì)電動(dòng)機(jī)的電子電流或者是電樞電流的轉(zhuǎn)距分量進(jìn)行控制，這樣依照轉(zhuǎn)矩→轉(zhuǎn)速→電氣傳動(dòng)的流程來達(dá)成控制目的。另外，結(jié)合電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)速度，在速度之上要采取弱磁控制設(shè)備進(jìn)行“除法”調(diào)節(jié)，即任何電動(dòng)機(jī)在運(yùn)作當(dāng)中都會(huì)產(chǎn)生乘法效應(yīng)，這種效應(yīng)對(duì)于電氣傳動(dòng)有不利影響，會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)過強(qiáng)，因此除法調(diào)節(jié)的目的就是弱化磁場(chǎng)，抵消乘法效應(yīng)影響，使得電氣傳動(dòng)保持穩(wěn)定，也實(shí)現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦目的，完成后則應(yīng)當(dāng)依照轉(zhuǎn)矩模型來計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，對(duì)電氣傳動(dòng)進(jìn)行過程化動(dòng)態(tài)控制。

2.3 微機(jī)轉(zhuǎn)矩控制

微機(jī)轉(zhuǎn)矩控制是近些年提出的電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)控制技術(shù)，相比于其他控制技術(shù)其比較復(fù)雜，但控制效果很好，故現(xiàn)已開始在相關(guān)領(lǐng)域中得到推廣。目前，微機(jī)轉(zhuǎn)矩控制在實(shí)際應(yīng)用中主要有兩種形式，具體如下。

（1）高性能同步電動(dòng)機(jī)控制形式。該形式專門針對(duì)高性能同步電動(dòng)機(jī)的電氣傳動(dòng)，相關(guān)領(lǐng)域?qū)Υ碎_發(fā)出了微機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器。其原理是依靠控制器設(shè)定電氣傳動(dòng)速率標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，然后對(duì)電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)速率進(jìn)行監(jiān)督，當(dāng)傳動(dòng)速率的誤差值超出標(biāo)準(zhǔn)期間的上限或下限時(shí)，就能得到與電動(dòng)機(jī)預(yù)期值有一定比例關(guān)系的數(shù)值，按照這個(gè)數(shù)值對(duì)電源頻率進(jìn)行控制，能夠?qū)λ俾蔬M(jìn)行上下調(diào)節(jié)，使得電氣傳動(dòng)得到控制，整體趨于穩(wěn)定。在這個(gè)過程中，電流磁通與轉(zhuǎn)矩之間是正相關(guān)關(guān)系，故能夠?qū)⑥D(zhuǎn)矩的參數(shù)值與磁通進(jìn)行對(duì)比，可得到傳動(dòng)電流參數(shù)值，依照該參數(shù)值能夠?qū)鲃?dòng)速率進(jìn)行判斷，即如果參數(shù)值恒定，代表磁通處于恒定狀態(tài)，這種狀態(tài)下代表傳動(dòng)速度并未達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)，反之則說明傳動(dòng)速度高于額定標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)人們就能正確地設(shè)定控制策略。另外，這種控制方法一般需要配合嵌套反饋環(huán)來使用，而嵌套反饋環(huán)的運(yùn)作速度必須比所有外環(huán)高。

（2）感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制形式。是一種專門針對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)開發(fā)出的控制技術(shù)，這種技術(shù)形式?jīng)]有控制器，因此需要直接通過微機(jī)來進(jìn)行控制，控制目標(biāo)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要由各種逆變器組成，這使得其電源模式非純正弦，由此對(duì)其進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)很容易打破氣隙磁通原本的恒定狀態(tài)，而依靠微機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制能夠解決這一問題，即微機(jī)控制下人們能夠?qū)χ鞔磐ㄟM(jìn)行跟蹤式的監(jiān)督，當(dāng)發(fā)現(xiàn)主磁通速度處于非恒定狀態(tài)，那么就可以根據(jù)差值輸入?yún)?shù)，然后輸出帶參數(shù)指令，讓主磁通速度回到恒定狀態(tài)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于平滑圓周，即電動(dòng)機(jī)電氣傳動(dòng)中會(huì)出現(xiàn)平滑圓周，其類似于多邊形，存在很多角，而角越多就代表平滑圓周越接近圓形。按照這一理論，相關(guān)人員可以在微機(jī)上設(shè)置等十二邊形（一般建議選擇等十二邊形，特殊情況另外選擇），在該形狀基礎(chǔ)上確認(rèn)六個(gè)空間磁通的矢量方向是否與對(duì)應(yīng)電氣傳動(dòng)矢量方向相同，是否存在非對(duì)應(yīng)關(guān)系（指某個(gè)磁通矢量方向未與對(duì)應(yīng)傳動(dòng)矢量方向保持一致，但與非對(duì)應(yīng)傳動(dòng)矢量方向保持一致的關(guān)系），若發(fā)現(xiàn)任意問題則要進(jìn)行調(diào)整，必須保障對(duì)應(yīng)矢量方向相同，且與非對(duì)應(yīng)矢量方向保持一定差異。這一基礎(chǔ)上，對(duì)空間內(nèi)非零電壓矢量進(jìn)行編制，編制過程必須按照順序推進(jìn)，否則會(huì)因?yàn)轫樞蚋淖兌鵁o法確認(rèn)磁通矢量，無法對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)督。

3 結(jié)語

綜上所述，交流電動(dòng)機(jī)的電氣傳動(dòng)控制技術(shù)類型繁多，且某些類型的控制技術(shù)還有很多形式，不同類型或不同形式的技術(shù)有對(duì)應(yīng)的適用條件與優(yōu)劣特點(diǎn)，因此要對(duì)電氣傳動(dòng)進(jìn)行合理控制，就需要結(jié)合實(shí)際情況作出選擇，這是做好電氣傳動(dòng)控制的關(guān)鍵。