交流电机变频调速控制系统分析

高建 李辉

摘要：我国的经济发展速度明显加快，因此交流调速技术被广泛的运用于各式项目之中。现今，中国大部分的大型工业项目已经全面使用了交流调速传统技术，不管是在风机还是高速铁路推动牵引，又或者是在大型的船舶电力推进和大型压缩机传动之中都能看到它的身影。

关键词：交流电机；变频调速；控制系统

引言：

交流电动机使用方便，维护工作量小，且价格便宜，因此被广泛应用。但在以往的很长一段时期，交流电机的调速装置价格极高且调速性能不佳，使得在调速领域一直以直流调速为主。近年来，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统的性价比不断的提高，交流调速系统已经出现了全面取代直流调速系统的趋势。

1大功率交流电机变频调速控制系统的组成部分

1.1交流变频电机

由于目前国际国内对于大功率的交流电机的研究还处于初始阶段，因此，大功率交流电机在变频调控过程中使用的主要是同步电机。其本身具有动态性能优异、变频时所具有的容量小、功率因数较高等特点。因为其承载能力较高，在运用的时候对于预设目标的实现，还是能够及时有效的完成。

1.2大功率的电力电子变频器

随着科技的不断向前发展，电力电子变频器的功率随着器件材料的改进也是越来越大，这样在需要进行的交流电机变频调速的操作过程中，所能输出的功率才能达到系统的要求，以满足其应用过程中动能的负荷。可以说，在这项技术的应用过程中，这个硬件设备的品质决定了其最终技术所能达到的高度和效果。

1.3进行调速所需要运行的控制系统

由于交流电机的磁场定向控制理论的提出和完善，对于交流电机调控系统的效能大大提高，最终超过了直流调速所达到的效果，为其最终成为变频调速系统的关键部分提供了坚实的基础。这方面技术由于被掌握在少数的国家和企业手中，因此，我国在进行自主化研究和开发的过程中，能够借鉴的相关技术和经验比较少，就需要我国在这方面的研究所投入的人力物力资源较大，关注和重视程度也较高，来尽早攻破这个难题，早日开发出具有我国自主知识产权的操作运行系统。

2交流变频调速系统的主流控制方式

2.1V/F控制方式

任何种类的电机在实施调速时，要保证其输出特性稳定并发挥出电机的额定出力都需要主励磁通稳定的保持在额定值。降低励磁磁通量，也就等同于弱磁调速，这种方式会降低电机的出力。增强磁通，会使得电机的铁心饱和，发热量增大，效率降低，严重时还会烧毁电机绕组。

直流变频调速电机通常都有独立的励磁绕组，串励和并励的励磁方式通常都不会用于调速电机。再利用专用的励磁调节系统，控制好励磁绕组的电流就可以实现对励磁强度的绝对控制。可以说直流电机的励磁可以通过简单的技术手段实现绝对的掌控，必要时还能根据需要补偿磁场强度。这就是直流电机易于调速的主要原因。在交流电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，因此其励磁磁通无法简单实现稳定控制。

2.2矢量控制与直接转矩控制

异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，矢量控制以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来分别控制。通过坐标变换重建的电机模型就等效为一台直流电机，可象直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制，获得与直流电机一样的良好的动态调速特性。因其采用了坐标变换，需要进行快速、复杂的数学运算，故对控制器的运算速度、处理能力等要求較高，微型计算机的发展为VC的实现提供了良好的外部条件。

针对Vc的缺陷，如系统结构复杂，非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，DTC在定子坐标系下分析、计算电机的磁链和转矩，使得控制系统线路简单，对电机的参数不敏感，且具有高动态性能。DTC以新颖的控制思想、简明的系统结构和优良的动、静态性能赢得了迅速的发展。

在定子坐标系下将空间划分为六个区间，在其中的任意一个区间内，通过施加不同的电压矢量可以改变磁链的大小和运动方向，进而改变定、转子磁链间的夹角，控制输出转矩的大小。

DTC系统是由转矩环和磁链环组成的，而对于异步电机而言，定子电流也是由磁链电流和转矩电流组成的。因此，只要能够在电机起动阶段将激磁电流和转矩电流分别限制在一定的范围内，整个系统的起动电流就能得到有效的控制。

3无速度传感器控制

尽管在部分产品销售宣传的时候，有着DTC技术拥有着用无速度传感器来控制DTC变频器，并且在零速状态下达到满负荷输出的说法，不过此类说法是错误的。不管是VC还是DTC所采用的都是完全一样的交流电机的设计模型，不过DTC却没有获得有关于无速度传感器控制的专利。因此就无速度传感器控制而言，其实是属于VC控制和DTC控制的一类相同研究内容。国外有一个知名的教授就反复强调了DTC变频器并没有拥有很好的低速控制性，因此为楼市的变频器获得高速性能就必须使用ISR间接控制方式，此类控制方式的主要原理在于使用电流及电压来在电机模型之中获得转子磁链，同时可以让转子磁链控制来对DTC低速性能进行补偿。其实对于控制系统而言，当在低速的时候使用ISR，一旦速度获得提升才会进入DTC状态，这就意味着需要利用VC来对DTC进行低速控制。就无速度传感器而言，其是交流电机调速控制研究之中的一项关键内容，同时也是在变频器生产制造之中的一个关键研究方向。现在我们国家已经投入了大量的研究于无速度传感器之中，不过离发达国家的水平还有一段距离。

4变频器稳态特征

其实，DTC变频器的控制系统拥有优秀的转矩响应，不过此类变频器却不拥有确定的开关频率，因此时常会出现随机变化，在分析了DTC变频器之后发现了几个主要问题。首先是在电子电力元器件有着相同的情况之下，变频器只会拥有比较小的输出容量。其次就是变频器效率会比较低，而且变频器输出电压也会比较大。再者是变频器推动有较大的电流谐波和电压。最后，在客观的分析之下，相比于矢量控制而言，DTC的变频器还是存在着较大的区别的，这也将意味着很难在开关频率确定的基础之下消除谐波PWM控制。因此，从客观层面上来看，比较于VC形式而言，DTC控制变频器并没有足够优良的实际稳态指标，所以，倘若通用变频器没有严格的要求动态性能指标的话，那么最为主要的就是实际的效率、容量利用率和实际变频器谐波。其实，VC模式具有特别高的应用意义同时拥有着十分明显的优势。所以对一部分的大众型传感设备而言，倘若工作人员选择的是高压三电平变频器，就必须要时刻关注着变频器具体容量指标以及实际效率。

5转矩响应分析

在使用了DTC对交流调速系统进行了直接转矩控制之后，相关转矩响应速度明显要高于矢量控制。在直接转矩控制系统之中，相关转矩阶跃的响应速度大约为1m/s。而在矢量控制系统之中，相关转矩阶跃响大约为6至7m/s。而DTC转矩响应速度比矢量控制更快的原因一般在于对于DTC制系统而言，所计算出的实际定子转矩大多是通过相应电机电压和实际电流得出的，那么为了使相应变频器PWM控制达到相应要求，所使用的必须为统一控制模式。

6结语：

总而言之，在讨论了VC技术和DTC技术的相关内容之后，必须要完全将市场竞争中含有的商业因素加以排除，实际的目的是在于在了解了相关技术真实面目之后不断加强对VC技术和DTC技术的相关实践以及理论研究。

参考文献

[2]冯马才.交流变频调速电机设计与应用[J].中国科技信息.2017（14）

[3]王占奎.交流电机变频调速的应用[J].电工技术杂志.2017（03）

（作者单位：德龙钢铁有限公司）