蔣 濤

（四川師范大學成都學院，四川 成都 611745）

1 交流電機拖動系統(tǒng)概述

眾所周知，交流電機按工作方式和運行速度來分可以分為感應(yīng)(異步)電機和同步電機兩大類，其控制的方法各不相同。隨著繼電、接觸器在電氣系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，感應(yīng)電機的一些簡單控制，如變極調(diào)速、分級分檔的調(diào)壓調(diào)速等。

感應(yīng)電機從轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)上又可以分為鼠籠型(簡稱籠型)轉(zhuǎn)子和繞線型(簡稱線型)轉(zhuǎn)子兩類。籠型轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)比線型轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機簡單，但是由于運行時轉(zhuǎn)子端的電磁關(guān)系不能夠直接得到，因此影響了其實際的控制效果和運用；線型轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機運行時轉(zhuǎn)子端的情況易于檢測和控制，但是其結(jié)構(gòu)和接線又比籠型轉(zhuǎn)子的復(fù)雜?？傊?，二者各有千秋。近年來，估計理論在籠型感應(yīng)電機的控制上屢有應(yīng)用：主要是通過狀態(tài)空間理論中的估計方法來對籠型感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子端的情況進行估計，取得了很好的控制效果。

2 交流感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)的性能分析與應(yīng)用

在電力電子器件出現(xiàn)以后，特別是近十幾年以來，電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)、控制技術(shù)相互結(jié)合使交流感應(yīng)電機的調(diào)速得到了很大的發(fā)展。目前，主要的交流感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)主要有改變電壓頻率的變頻調(diào)速系統(tǒng)，以坐標變換和觀測器為主要控制手段的向量控制系統(tǒng)，以及直接和間接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這些調(diào)速控制系統(tǒng)業(yè)已形成了一些成型的產(chǎn)品，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 感應(yīng)電機變頻調(diào)速系統(tǒng)

從感應(yīng)電機同步轉(zhuǎn)速的公式知道，通過改變電機定子電源的頻率，不但能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)電機頻率的調(diào)節(jié)，而且可以得到很多其他調(diào)速方法達不到的調(diào)速效果。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電子計算機技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速已經(jīng)成為當前感應(yīng)電機調(diào)速的主流，有相當多的學者和工程師在這方面進行了研究和實踐，也有不少成熟的產(chǎn)品。

電壓頻率的變化和調(diào)節(jié)可以有兩個方向：一個是在額定頻率基礎(chǔ)上降低頻率，一個是在額定頻率基礎(chǔ)上升高頻率。額定頻率稱為基頻，因此，在額定頻率基礎(chǔ)上降低頻率的調(diào)速方法稱為基頻向下調(diào)速，在額定頻率基礎(chǔ)上升高頻率的調(diào)速方法稱為基頻向上調(diào)速。一般認為，在電機調(diào)速時要保持電機的主磁通不變。這是考慮到對于電機鐵芯利用和能量方面的原因。由感應(yīng)電機定子端的電勢公式：E1=4.44f1N1kN1覬m

可知，如果在變頻調(diào)速時單方面改變頻率的大小則不能保證電機的主磁通不變，因此在變頻調(diào)速時必須考慮這個問題。①基頻向下調(diào)速。在基頻向下調(diào)速的同時要保證電機的主磁通不變，則需要同時使電機定子的電動勢下降，但是由于電機定子的電動勢不好控制，所以在精度要求不高時，可以認為定子電壓與電動勢基本相等，即在降低定子頻率的同時，也成比例地降低定子電壓，從而保證近似恒磁通調(diào)速。②基頻向上調(diào)速。在基頻向下調(diào)速的同時適當調(diào)整定子端的參數(shù)，可以保證電機的主磁通不變。在基頻向上調(diào)速時，如果也要實現(xiàn)恒磁通調(diào)速，就必須使電機定子端的電壓升高。但是這樣一來，電機的能耗必然加大，一般不允許這樣操作。因此，在基頻向上調(diào)速時只能保持定子電壓維持額定值的情況。隨著頻率的不斷升高，定子電壓維持恒定，電機主磁通只能逐漸下降——這是一種“弱磁”的調(diào)速方式。

2.2 感應(yīng)電機的向量控制系統(tǒng)

感應(yīng)電機的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)與簡單的調(diào)壓調(diào)速和變極調(diào)速相比，在調(diào)速性能上有了很大提高。但是這樣的調(diào)速仍然是基于感應(yīng)電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，因此，雖然在調(diào)速的靜態(tài)特性上改善了性能，但是在調(diào)速過程中的動態(tài)情況仍然存在一些問題，例如，系統(tǒng)的啟動以及動態(tài)穩(wěn)定性上就難以取得令人滿意的效果，與直流電機的調(diào)速情況相差較大。為了解決這個問題，很多電機研究學者和工程師進行了很多研究。在20世紀70年代，德國西門子公司的研究人員提出了感應(yīng)電機磁場定向的控制方法，開創(chuàng)了感應(yīng)電機向量控制的新局面。

為了提高感應(yīng)電機的動態(tài)性能，這是一個高階次、強耦合、非線性的數(shù)學模型，使用普通的控制方法很難進行準確的控制。但如果將感應(yīng)電機通過適當?shù)淖儞Q把它等效為一個直流電機，使用控制直流電機的方法來控制感應(yīng)電機就可以獲得較為理想的控制效果，這就是感應(yīng)電機磁場定向的微量控制系統(tǒng)。

磁場定向的向量控制系統(tǒng)通過坐標變換將三相感應(yīng)電機變換為一個兩相的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，然后在同步旋轉(zhuǎn)坐標系上對其進行控制，這樣就達到了使用直流電機控制方法來控制三相交流電機的目的。

若采用兩個控制器分別對感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，就必須對這個結(jié)構(gòu)圖做進一步簡化，使電機的轉(zhuǎn)速盡量不受轉(zhuǎn)子磁鏈的影響，基本實現(xiàn)一對一的控制模式。要實現(xiàn)這樣的控制只需要在電機的轉(zhuǎn)速控制一路中除以轉(zhuǎn)子磁鏈這個參數(shù)就可以了。轉(zhuǎn)子磁鏈的獲得有兩種方法：一種是直接的方法；一種是間接的方法。

2.3 感應(yīng)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一種繼向量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的一種感應(yīng)電機控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)與向量控制系統(tǒng)不同，它不使用坐標變換和解耦的方法，通過觀測感應(yīng)電機的定子電壓和電流計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制。目前直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)，大多都是采用了將磁鏈定向與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的方法，低速時采用磁鏈定向向量控制，高速時采用直接轉(zhuǎn)矩控制。但無論如何，整個控制過程還是要依賴轉(zhuǎn)子的參數(shù)估計，對轉(zhuǎn)子參數(shù)相對來講比較敏感。

2.4 其他先進的感應(yīng)電機控制系統(tǒng)

近年來，由于各種控制理論被廣泛地應(yīng)用到電機的向量控制以及估計中來，形成了各種先進的感應(yīng)電機控制系統(tǒng)，盡管這些系統(tǒng)在實際應(yīng)用中尚有一段距離，但是在電機控制的理論上很有新意。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是智能控制中非常有代表性的一種控制思想，它是通過神經(jīng)元以一定形式連接而成的控制系統(tǒng)。在對感應(yīng)電機的控制中可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電機的參數(shù)進行辨識，再通過學習系統(tǒng)歸納出輸入偷出的關(guān)系，通常采用前饋多層模型方法。

3 結(jié)語

在感應(yīng)電機的控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速測量和反饋是必不可少的，這是對于精度的必要保證。但是，在實際的控制系統(tǒng)中，安裝轉(zhuǎn)速測量的裝置又給整個系統(tǒng)帶來了不便檢修和體積增大、可靠性降低的問題，同時也增加了運行的成本。為了解決這些問題，從事電機控制的學習和工程技術(shù)人員研究出了無速度傳感器的感應(yīng)電機控制系統(tǒng)。不用位置傳感器并不是不需要速度信號，而是通過對電機的轉(zhuǎn)速進行觀測和估計來代替?zhèn)鞲衅鳎瑥亩鴺?gòu)成無速度傳感器的感應(yīng)電機向量控制系統(tǒng)。