交流電機變頻調速控制系統分析

高建 李輝

摘要：我國的經濟發展速度明顯加快，因此交流調速技術被廣泛的運用于各式項目之中?，F今，中國大部分的大型工業項目已經全面使用了交流調速傳統技術，不管是在風機還是高速鐵路推動牽引，又或者是在大型的船舶電力推進和大型壓縮機傳動之中都能看到它的身影。

關鍵詞：交流電機；變頻調速；控制系統

引言：

交流電動機使用方便，維護工作量小，且價格便宜，因此被廣泛應用。但在以往的很長一段時期，交流電機的調速裝置價格極高且調速性能不佳，使得在調速領域一直以直流調速為主。近年來，隨著電力電子技術和控制技術的發展，交流調速系統的性價比不斷的提高，交流調速系統已經出現了全面取代直流調速系統的趨勢。

1大功率交流電機變頻調速控制系統的組成部分

1.1交流變頻電機

由于目前國際國內對于大功率的交流電機的研究還處于初始階段，因此，大功率交流電機在變頻調控過程中使用的主要是同步電機。其本身具有動態性能優異、變頻時所具有的容量小、功率因數較高等特點。因為其承載能力較高，在運用的時候對于預設目標的實現，還是能夠及時有效的完成。

1.2大功率的電力電子變頻器

隨著科技的不斷向前發展，電力電子變頻器的功率隨著器件材料的改進也是越來越大，這樣在需要進行的交流電機變頻調速的操作過程中，所能輸出的功率才能達到系統的要求，以滿足其應用過程中動能的負荷?？梢哉f，在這項技術的應用過程中，這個硬件設備的品質決定了其最終技術所能達到的高度和效果。

1.3進行調速所需要運行的控制系統

由于交流電機的磁場定向控制理論的提出和完善，對于交流電機調控系統的效能大大提高，最終超過了直流調速所達到的效果，為其最終成為變頻調速系統的關鍵部分提供了堅實的基礎。這方面技術由于被掌握在少數的國家和企業手中，因此，我國在進行自主化研究和開發的過程中，能夠借鑒的相關技術和經驗比較少，就需要我國在這方面的研究所投入的人力物力資源較大，關注和重視程度也較高，來盡早攻破這個難題，早日開發出具有我國自主知識產權的操作運行系統。

2交流變頻調速系統的主流控制方式

2.1V/F控制方式

任何種類的電機在實施調速時，要保證其輸出特性穩定并發揮出電機的額定出力都需要主勵磁通穩定的保持在額定值。降低勵磁磁通量，也就等同于弱磁調速，這種方式會降低電機的出力。增強磁通，會使得電機的鐵心飽和，發熱量增大，效率降低，嚴重時還會燒毀電機繞組。

直流變頻調速電機通常都有獨立的勵磁繞組，串勵和并勵的勵磁方式通常都不會用于調速電機。再利用專用的勵磁調節系統，控制好勵磁繞組的電流就可以實現對勵磁強度的絕對控制?？梢哉f直流電機的勵磁可以通過簡單的技術手段實現絕對的掌控，必要時還能根據需要補償磁場強度。這就是直流電機易于調速的主要原因。在交流電機中，磁通是定子和轉子磁勢合成產生的，因此其勵磁磁通無法簡單實現穩定控制。

2.2矢量控制與直接轉矩控制

異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，矢量控制以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標系到旋轉坐標系之間的變換，則可把定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來分別控制。通過坐標變換重建的電機模型就等效為一臺直流電機，可象直流電機那樣進行快速的轉矩和磁通控制，獲得與直流電機一樣的良好的動態調速特性。因其采用了坐標變換，需要進行快速、復雜的數學運算，故對控制器的運算速度、處理能力等要求較高，微型計算機的發展為VC的實現提供了良好的外部條件。

針對Vc的缺陷，如系統結構復雜，非線性和電機參數變化影響系統性能等問題，DTC在定子坐標系下分析、計算電機的磁鏈和轉矩，使得控制系統線路簡單，對電機的參數不敏感，且具有高動態性能。DTC以新穎的控制思想、簡明的系統結構和優良的動、靜態性能贏得了迅速的發展。

在定子坐標系下將空間劃分為六個區間，在其中的任意一個區間內，通過施加不同的電壓矢量可以改變磁鏈的大小和運動方向，進而改變定、轉子磁鏈間的夾角，控制輸出轉矩的大小。

DTC系統是由轉矩環和磁鏈環組成的，而對于異步電機而言，定子電流也是由磁鏈電流和轉矩電流組成的。因此，只要能夠在電機起動階段將激磁電流和轉矩電流分別限制在一定的范圍內，整個系統的起動電流就能得到有效的控制。

3無速度傳感器控制

盡管在部分產品銷售宣傳的時候，有著DTC技術擁有著用無速度傳感器來控制DTC變頻器，并且在零速狀態下達到滿負荷輸出的說法，不過此類說法是錯誤的。不管是VC還是DTC所采用的都是完全一樣的交流電機的設計模型，不過DTC卻沒有獲得有關于無速度傳感器控制的專利。因此就無速度傳感器控制而言，其實是屬于VC控制和DTC控制的一類相同研究內容。國外有一個知名的教授就反復強調了DTC變頻器并沒有擁有很好的低速控制性，因此為樓市的變頻器獲得高速性能就必須使用ISR間接控制方式，此類控制方式的主要原理在于使用電流及電壓來在電機模型之中獲得轉子磁鏈，同時可以讓轉子磁鏈控制來對DTC低速性能進行補償。其實對于控制系統而言，當在低速的時候使用ISR，一旦速度獲得提升才會進入DTC狀態，這就意味著需要利用VC來對DTC進行低速控制。就無速度傳感器而言，其是交流電機調速控制研究之中的一項關鍵內容，同時也是在變頻器生產制造之中的一個關鍵研究方向?，F在我們國家已經投入了大量的研究于無速度傳感器之中，不過離發達國家的水平還有一段距離。

4變頻器穩態特征

其實，DTC變頻器的控制系統擁有優秀的轉矩響應，不過此類變頻器卻不擁有確定的開關頻率，因此時常會出現隨機變化，在分析了DTC變頻器之后發現了幾個主要問題。首先是在電子電力元器件有著相同的情況之下，變頻器只會擁有比較小的輸出容量。其次就是變頻器效率會比較低，而且變頻器輸出電壓也會比較大。再者是變頻器推動有較大的電流諧波和電壓。最后，在客觀的分析之下，相比于矢量控制而言，DTC的變頻器還是存在著較大的區別的，這也將意味著很難在開關頻率確定的基礎之下消除諧波PWM控制。因此，從客觀層面上來看，比較于VC形式而言，DTC控制變頻器并沒有足夠優良的實際穩態指標，所以，倘若通用變頻器沒有嚴格的要求動態性能指標的話，那么最為主要的就是實際的效率、容量利用率和實際變頻器諧波。其實，VC模式具有特別高的應用意義同時擁有著十分明顯的優勢。所以對一部分的大眾型傳感設備而言，倘若工作人員選擇的是高壓三電平變頻器，就必須要時刻關注著變頻器具體容量指標以及實際效率。

5轉矩響應分析

在使用了DTC對交流調速系統進行了直接轉矩控制之后，相關轉矩響應速度明顯要高于矢量控制。在直接轉矩控制系統之中，相關轉矩階躍的響應速度大約為1m/s。而在矢量控制系統之中，相關轉矩階躍響大約為6至7m/s。而DTC轉矩響應速度比矢量控制更快的原因一般在于對于DTC制系統而言，所計算出的實際定子轉矩大多是通過相應電機電壓和實際電流得出的，那么為了使相應變頻器PWM控制達到相應要求，所使用的必須為統一控制模式。

6結語：

總而言之，在討論了VC技術和DTC技術的相關內容之后，必須要完全將市場競爭中含有的商業因素加以排除，實際的目的是在于在了解了相關技術真實面目之后不斷加強對VC技術和DTC技術的相關實踐以及理論研究。

參考文獻

[2]馮馬才.交流變頻調速電機設計與應用[J].中國科技信息.2017（14）

[3]王占奎.交流電機變頻調速的應用[J].電工技術雜志.2017（03）

（作者單位：德龍鋼鐵有限公司）