交流异步电机变频调速系统研究综述

2022-09-11

1 交流异步电机和变频调速技术的发展概况

在上个世纪七十年代以前, 高性能的可调速系统通常都采用直流电机, 而不变速传动或简单调速传动则采用交流电机, 主要是因为直流传动具有优越的可控制性能[1]。直到二十世纪七十年代, 人们成功地开发出了高效的交流变频器, 使得交流笼型电机进入了可调速领域, 由于其具有结构简单、成本低廉、维护方便、工作可靠、转动惯量小和效率高等优点, 交流电机很快成为可调速传动的主流。

在最初研究和应用交流调速时, 人们只能从交流电机的稳态模型出发来探讨调速方法, 对其动态模型还不十分清楚。接着出现了恒压频比的控制方法, 它被普遍应用于风机、水泵调速等这样一些没有高动态性能要求的节能调速中。分析异步电机稳态模型可知, 当磁通恒定时, 采用转速闭环的转差频率来控制, 可使调速变得平滑而稳定, 从而获得较高的调速范围, 大大提高了交流异步电机的调速性能。1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制理论 (Direct-Self-Control, DSC) 。此外, 一些学者继续加大这方面的研究, 将现代控制理论一些成果应用于交流传动系统的控制, 例如状态观测器、模型参考自适应控制、滑模变结构控制等, 以提高交流传动系统的性能。

目前, 变频调速技术受到交流调速技术和微机控制技术发展的影响, 其研究和应用将朝着高性能交流变频调速和特大容量、极高转速的交流变频调速方向发展。交流异步电机被广泛应用于提升机、离心机、机床和压缩机等工业设备当中, 所以研究一些高性能的交流异步变频调速系统就显得尤其重要。

2 交流异步电机变频调速原理

据电机学理论, 交流异步电动机的转速表达式为[2]:n=60f (1-s) /p (1

其中n为电机转速, f为电源频率, s为转差率, p为电动机极对数。转速受后三者的影响, 但能使交流电动机调速效果最佳的为通过改变电源频率f的方法, 即变频调速。

我们知道, 交流异步电动机的定子绕组切割旋转磁场磁力线产生定子绕组的感应电动势, 可用下式计算其有效值:

其中U和E为电压, K为电动机的一个电压不变, 则磁通Φ随着频率f的提高而减小, 使得电动机的动力不足而过载能力下降, Φ随频率f的减小而增加, 使励磁电流上升, 增加了铁损, 从而降低了电动机的效率。可见, 只有使气隙磁通Φ为一常量的条件下, 改变频率f的同时协调的改变定子电压U, 才能使电动机获得较好的工作性能。

要保证Φ=C为一常数, 就必须在将频率f从基频fsn向下调节时, 同时降低E, 即满足:E/F=Φ=C (3)

上式说明在频率降低过程中能保证Φ=C, 从而使转矩Tc=Tcmax=C, 取得较好控制效果。

在基频fsn以上调速时, 频率可增大, 但是端电压U最多只能维持在额定值Um, 这会造成磁通与频率成反比的下降。如果电机在不同转速下都具有相同的额定电流, 这时电机运行转矩基本上随磁通变化, 即在基频以下为恒转矩调速, 以上为恒功率调速。

3 异步电机变频调速技术

为了较好地实现交流电动机的无极调速, 可通过改变电源频率和电压来完成, 但这需要一套交流变频电源。目前异步交流电机的调速控制方案主要有以下几种。

3.1 恒压频比控制

这种控制方法就是通过变频器, 来维持电压与频率的比值恒定, 即U/ω=const。此法虽然在控制上较易于实现, 但它在低速时性能较差, 需要通过低频电压补偿来获得性能的改善, 因此它只是广泛的应用在一些对于调速性能要求不高的场合。但如果在低速时电压补偿效果不佳的话, 就很容易造成磁场的欠励或过励, 进而使电机转速极不稳定, 在一定的低速范围内振荡, 甚至还有可能造成电机与变频器之间形成共振, 对设备造成损坏[3]。目前恒压频比控制最常用的方法是将转速通过PI调节器得到转差频率, 实际上就是通过调节转差频率来控制转速的。

3.2 磁场定向控制

电动机调速的实质在于对转矩的控制, 但要对转矩进行直接控制是不现实的, 因为交流电机本身是一个非线性和多变量的时变系统。磁场定向控制理论为实现对交流电动机转矩的高性能控制提供了可能。其方法是在磁场定向坐标上, 将交流电流矢量分解成互相垂直并且相互独立的直流的励磁电流分量id和转矩电流分量iq, 然后对二者分别进行调节, 这从原理和特性不仅可以对转矩进行实时控制, 还能避免电流的瞬态突变。但在磁场定向控制中转子电阻会随着温度和频率的变化而变动, 而且电机转速测量也存在误差, 这些因素都容易引起转子磁链的误差, 这就使磁场定向控制的效果不理想。

3.3 直接转矩控制

Depenbrock教授提出的直接转矩控制理论跳出了传统的交流传动技术研究思维框框, 在瞬时空间矢量理论的基础上, 通过检测到的定子电压和电流来计算电机的磁链和转矩, 比较给定值所得差值, 以此来实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下对磁链和转矩进行控制, 以得到快速的转矩响应, 一般由于定子电阻的变化比较容易得到补偿, 而只要知道定子电阻就可观测出定子磁链, 所以直接转矩控制对电机参数的变化不敏感。它还避免了复杂的坐标变换和参数运算, 使系统线路变得十分简单, 容易实现, 其控制效果要优于前两种方法。