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(dòng)機(jī)最為理想的調(diào)速方式之一。交流異步電動(dòng)機(jī)機(jī)組發(fā)電過(guò)程中，通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)電壓輸出，采用電磁耦合器進(jìn)行輸出變頻轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)壓輸出，在交流異步電動(dòng)機(jī)發(fā)電過(guò)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(dòng)機(jī)的輸出穩(wěn)壓性不好，需要進(jìn)行調(diào)速自動(dòng)控制。本文就交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制技術(shù)展開(kāi)探討。

【關(guān)鍵詞】交流異步電動(dòng)機(jī)；變頻調(diào)速；自動(dòng)控制

引言

電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型多樣，而直流電動(dòng)機(jī)和三相交流異步電動(dòng)機(jī)是其中最具典型意義的兩種。兩相對(duì)比，交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作便利、運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)，因此在傳動(dòng)領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用。做好電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速操作，可以改善電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩同時(shí)減少電能消耗，對(duì)于電動(dòng)機(jī)功能的發(fā)揮意義重大。

1異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

電動(dòng)機(jī)可以分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榻涣麟妱?dòng)機(jī)相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)講，更具有優(yōu)越性，因此無(wú)論是從功能上來(lái)講，還是從用途、形式上來(lái)講都具有多樣性、不唯一性。異步電動(dòng)機(jī)作為交流電動(dòng)機(jī)的一類(lèi)，也有著廣泛的應(yīng)用。異步電動(dòng)機(jī)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量十分小、制造工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、機(jī)身堅(jiān)固耐用等。但是因?yàn)榭萍及l(fā)展存在的滯后性，約束了異步電動(dòng)機(jī)，使其不能夠真正的發(fā)展成為調(diào)速電動(dòng)機(jī)，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(dòng)力設(shè)備和用電量的不斷增加，世界各國(guó)都開(kāi)始探索既符合生產(chǎn)發(fā)展又能夠節(jié)省電力的電動(dòng)機(jī)，這才真正的開(kāi)啟了異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的新紀(jì)元。

2變頻調(diào)速控制類(lèi)型

比較典型的變頻調(diào)速控制類(lèi)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率的正比關(guān)系，通過(guò)控制電樞電流的方式來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。在頻率控制中，可以將轉(zhuǎn)差信號(hào)與實(shí)際測(cè)量得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)相加后，得到輸入頻率信號(hào)；二是矢量控制，也可以成為磁場(chǎng)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(biāo)，通過(guò)靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，對(duì)定子電流中的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁電流分量轉(zhuǎn)化為標(biāo)量，分別進(jìn)行控制。簡(jiǎn)單來(lái)講，矢量控制將異步電動(dòng)機(jī)看做直流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)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(jìn)行大量的運(yùn)算，對(duì)于控制器的處理能力和運(yùn)算速度要求較高，而且需要進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，因此在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)；三是直接轉(zhuǎn)矩控制，主要是結(jié)合交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的需要，選擇恰當(dāng)?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，以完成對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，交流電機(jī)與電壓源逆變器被看作是一個(gè)整體，定子靜止在兩項(xiàng)坐標(biāo)系中，通過(guò)對(duì)定子空間矢量的選擇，進(jìn)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(jì)算，因此控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在當(dāng)前的技術(shù)條件下可以非常方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。

3異步電動(dòng)機(jī)電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性

（1）恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。異步電機(jī)在恒壓恒頻正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性方程式Te=f（s），當(dāng)定子電壓和電源角頻率恒定時(shí)，可以得到下式：

當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式中的分母Rr，就可以得到對(duì)稱(chēng)于原點(diǎn)的一段雙曲線。（如圖1）

圖1恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性

（2）基頻以下電壓——頻率協(xié)調(diào)控制下的機(jī)械特性。當(dāng)帶負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率的配合方式有許多種。當(dāng)電壓和頻率的配合不同時(shí)，其所產(chǎn)生的機(jī)械特性也是不一樣的，所以說(shuō)對(duì)于電壓——頻率的協(xié)調(diào)控制存在著很多的方式。

4電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制器的優(yōu)化

在構(gòu)建交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制約束參量模型和被控對(duì)象描述的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出基于穩(wěn)壓補(bǔ)償自適應(yīng)調(diào)節(jié)的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制技術(shù)。構(gòu)建交流異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)壓補(bǔ)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(xiàng)。結(jié)合時(shí)滯誤差補(bǔ)償，得到在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)下的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制狀態(tài)方程為：

式中，Wj是電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的加權(quán)系數(shù)，Sf是與其對(duì)應(yīng)的電流值，Ps是輸出功率損失，是電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)相位，x是交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩角速度，x是輸出電機(jī)負(fù)載慣量。由此采用Smith控制器進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，結(jié)合前饋補(bǔ)償方法進(jìn)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(dòng)機(jī)的輸出功率為：

電動(dòng)機(jī)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(jì)，在負(fù)載為Rp和Rs的條件下，實(shí)現(xiàn)功率增益補(bǔ)償和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，提高輸出功率和穩(wěn)壓性能。

結(jié)語(yǔ)

在交流異步電動(dòng)機(jī)發(fā)電過(guò)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(dòng)機(jī)的輸出穩(wěn)壓性不好，需要進(jìn)行調(diào)速自動(dòng)控制。本文提出基于穩(wěn)壓補(bǔ)償自適應(yīng)調(diào)節(jié)的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)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(fù)載等參量為約束指標(biāo)，進(jìn)行控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建，并進(jìn)行控制律的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文方法在提高交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速自動(dòng)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(jī)有限責(zé)任公司）