馮彩絨

（重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053）

0 引言

異步電動機的調(diào)速可通過變頻、變極對數(shù)和變轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)。本文只討論異步電動機的變頻調(diào)速策略。自上世紀90年代以來，近代交流調(diào)速步入以變頻調(diào)速為主的發(fā)展階段，其間，由于各種新型電力電子器件的支持，使交頻調(diào)速在低壓(380V)中小容量(200KW以下)方面取得了較大發(fā)展[1,2]。通常，為了充分發(fā)揮電動機的性能，應(yīng)保持定子磁鏈幅值為額定值。當定子電流頻率fs正較高時，感應(yīng)電勢Es的有效值就較大，可以認為定子相電壓有效值U1＝Es。由此，可以通過控制使u/f恒定，使磁通恒定。要恒U/f控制，就必須使頻率和輸出電壓同時改變，這就是變壓變頻，即VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)調(diào)速技術(shù)。

1 控制方式

1.1 SPWM控制

PWM (Pulse Width Modulation)控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，它是基于采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。由此，可對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效獲得所需的波形。

1964年A．Schonung和H．Stemmler把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在20世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。

如今，工程上采用的主要是SPWM，它是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的P咖波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。SPWM控制不僅可以實現(xiàn)變壓變頻，而且能削弱或消除有害的高次諧波。

SPWM方案主要有電壓正弦PWM、電流正弦PWM：電壓正弦PWM是通過調(diào)節(jié)逆變器輸出脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸出平均電壓，使其等效為正弦波形。電流正弦PWM是為了改善逆變輸出電流波形提出的電流閉環(huán)控制方式，常用方法是電流滯環(huán)SPWM，就是以一個理想的電流正弦波形為標準，與實際電流波形作比較，實際電流圍繞理想電流在滯環(huán)容差范圍內(nèi)作往復(fù)振動，使輸出電流近似正弦波形。

早期通用變頻器多為SPWM控制方式。其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，性能、穩(wěn)定性差。

對于SPWM控制的三相PWM逆變電路來說，在調(diào)制度為最大值1時，輸出相電壓的基波幅值為Ud/2 (Ud為直流側(cè)電壓)，輸出線電壓基波幅值為(√—3 /2) Ud，即直流電壓利用率僅為0.866。為了解決這個問題，人們想到了空間矢量PWM控制技術(shù)。

1.2 空間電壓矢量PWM

空間電壓矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)，又稱磁通正弦PWM控制技術(shù)。電壓SPWM和電流SPWM是從電源角度出發(fā)，分別追求電壓和電流的正弦，而SVPWM則是從電機的角度出發(fā)，把電動機和逆變器看成一個整體，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形磁場，因為異步電動機在理想狀態(tài)下運行時的磁鏈軌跡即為圓形。

根據(jù)三相逆變器的原理，逆變器共有8種工作狀態(tài)。假設(shè)上橋臂導(dǎo)通用“1”，下橋臂導(dǎo)通用“0”表示，那么這8個狀態(tài)就對應(yīng)著8個數(shù)字量，將它們定義為8個基本電壓矢量。

可見，空間電壓矢量的方向即定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向。因此，利用上述的8個電壓矢量的線性組合，就可以得到更多的與其相位不同的新的電壓矢量，最終構(gòu)成一幅等幅的不同相位的電壓空間矢量圖，疊加形成盡可能接近圓形旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量軌跡，進而使定子磁鏈旋轉(zhuǎn)軌跡近似圓形。

將這8個電壓矢量首尾相連形成的正六邊形就是SVPMN方式所輸出的最大幅值電壓矢量端點的軌跡，設(shè)此電壓矢量最大幅值為u耐。正六邊形的內(nèi)切圓則為要獲得的接近圓形旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量軌跡，內(nèi)切圓半徑為逆變器輸出三相電壓的最大相電壓峰值，設(shè)為Uout。由逆變器結(jié)構(gòu)知，Uref等于2/3UDC，UDC是直流側(cè)電壓。這樣，可得Uout等于√—3 /3UDC，而SPWM方式時，輸出相電壓的基波幅值為Ud/2。于是有：

可見，SVPWM比SPWM方式的直流電壓利用率提高了15.47%。

應(yīng)用SVPWM控制方式的典型機種有1989年前后進入中國市場的FUJI(富士)FRN5000G5／P5、SANKEN(三墾)MF系列等。

前面所討論的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)都是對控制量的幅值進行靜態(tài)控制，比起直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能，遜色不少。矢量控制方式的出現(xiàn)，解決了這個問題。

1.3 矢量控制

矢量控制基于轉(zhuǎn)子磁場定向，它是將一個靜止坐標系中的三相交流磁場系統(tǒng)和一個旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流磁場系統(tǒng)通過一個靜止坐標系中的兩相交流系統(tǒng)互相等效變換，從而實現(xiàn)對異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別控制。將用于控制交流調(diào)速的給定信號分解為勵磁電流信號iM和轉(zhuǎn)矩電流信號iT，分別通入假想的兩個互相垂直的旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流繞組。將兩個旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流信號iM和iT作為基本控制信號，經(jīng)過Park逆變換轉(zhuǎn)換為靜止坐標系中的兩相交流信號i和iβ，再經(jīng)過Clark逆變換轉(zhuǎn)換為靜止坐標系中的三相交流信號iA、iB、iC去控制逆變電路。對于反饋，是將傳感器得到的靜止坐標系中三相交流數(shù)據(jù)經(jīng)Clark變換為靜止坐標系中的兩相交流信號，再經(jīng)過Park變換轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標系中直流信號來修正基本控制信號iM和iT。通過上面的思想對非線性、強耦合的異步電動機進行線性近似，將其轉(zhuǎn)矩和磁鏈完全解耦，實現(xiàn)矢量控制。

目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種[3,4]。德國西門子開發(fā)的6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制和伺服控制。

雖然矢量控制使異步電動機具備了與直流電動機相似的特性，但是異步電動機的轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，而且電動機參數(shù)對其性能影響較大，這些使得矢量控制的實現(xiàn)難以達到預(yù)期效果。為了消除矢量控制的這些弊端，直接轉(zhuǎn)矩控制方式應(yīng)運而生。

1.4 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是目前廣為研究的電機控制理論之一，已在異步機上取得了成功。由于該理論直接對轉(zhuǎn)矩進行控制，避免了矢量控制中計算量大、效果易受電動機參數(shù)變化影響的缺點，使異步電動機的瞬態(tài)性能得到了顯著的改善。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用定子磁場定向，直接在定子坐標系下計算和控制異步電動機的轉(zhuǎn)矩，將實際轉(zhuǎn)矩、磁鏈分別與給定值比較，形成轉(zhuǎn)矩、磁鏈的閉環(huán)控制。

為了充分發(fā)揮電動機的性能，應(yīng)保持定子磁鏈幅值為額定值，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負載決定。因此，可以通過改變θ來改變異步電動機的轉(zhuǎn)矩，進而改變轉(zhuǎn)速。具體辦法就是通過改變電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，使其走走停停，從而使θ不斷變化，達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制具有理論清晰，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)迅速，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，缺點是轉(zhuǎn)矩脈動較大。

采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻器以ABB公司推出的ACS600、ACS800等系列為代表。

盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究，如：磁通的準確估計或觀測、無速度傳感器的控制方法、電機參數(shù)的在線辨識、極低轉(zhuǎn)速包括零轉(zhuǎn)速下的電機控制、電壓重構(gòu)與死區(qū)補償策略和多電平逆變器的高性能控制策略等。

2 各種控制方式的聯(lián)系與區(qū)別

前面提到的各種控制方式是有內(nèi)在聯(lián)系的。首先，由于在實際控制中要保持定子磁鏈幅值恒定，SPWM、SVPWM、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制本質(zhì)上也都屬于變頻變壓，只不過矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是改變電壓矢量的幅值和轉(zhuǎn)速來體現(xiàn)變頻變壓的。其次，由于各種控制方式無一例外的要通過逆變電路完成對異步電動機的控制，因此，異步電機的調(diào)速系統(tǒng)的核心控制算法幾乎最終都是通過PWM方式實現(xiàn)，特別在基于DSP的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，很多都是最終由SVPWM方式實現(xiàn)，如直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的SVM-DTC方法。再有，有些控制方式有著本質(zhì)聯(lián)系，如：SPWM和SVPM其實是同一控制方程在不同的附加假想條件下的兩個不同的特解。

各種控制方式之間的區(qū)別是顯而易見的，由前幾節(jié)介紹的基本原理中便可知曉。后一種控制方式幾乎都是為了解決前一種控制方式產(chǎn)生的問題而提出來的。由于各種控制方式的特點、性能不同，其應(yīng)用場合也不相同，后起的控制方式并沒有完全取代先前的控制方式。如在對系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)速性能要求不高的場合，為節(jié)約成本，通常采用SPWM或SVPWM控制方式，而在需要對系統(tǒng)進行精確調(diào)速控制的場合可采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。由此可見，以上各種控制方式既相互聯(lián)系又相互區(qū)別，既一脈相承又各有千秋。

3 結(jié)束語

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，異步電動機的變頻調(diào)速控制方式到現(xiàn)在已經(jīng)相當完善，雖然不排除會有新的控制方式提出，但是當今的發(fā)展多是在原有控制方式的基礎(chǔ)上進行改進和提高。智能控制如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制甚至專家系統(tǒng)以及滑模變結(jié)構(gòu)控制等現(xiàn)代控制理論的引入為原有的控制方式的發(fā)展增添了新的活力，對于改善系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)的可靠性，增強系統(tǒng)的智能化、綠色化起到了很大作用。國內(nèi)外許多學(xué)者都在此方向上有了新的進展，各種混合控制方式不斷出現(xiàn)。此外，控制領(lǐng)域的其他新技術(shù)如現(xiàn)場總線、自適應(yīng)控制、遺傳算法、無傳感器技術(shù)等，也將引入到傳統(tǒng)的控制方式中，給變頻調(diào)速的控制技術(shù)帶來重大的影響。

由此可以預(yù)見，怎樣將智能控制、現(xiàn)代控制理論及其它新技術(shù)、新成果應(yīng)用到現(xiàn)有控制方式中將成為異步電動機的變頻調(diào)速控制方式發(fā)展的主要方向。

[1] 解煥芹. 煤氣鼓風(fēng)機電機的改造[J]. 機械設(shè)計與制造,2001, (5).

[2] 賀虎成, 劉衛(wèi)國. 基于CPLD的智能型軟起動器的研制[J]. 機床與液壓, 2006, (1).

[3] 高鋒. 基于TMS320F2812的異步電動機相敏保護器設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化, 2010, 32(10).

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