交流电机变频调速控制系统研究

苗立伟

（内蒙古电子信息职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010070）

在交流电机矢量控制原理出现后，相关技术被投入应用30 余年，矢量控制的原理也在不断完善，不同规模的交流电机变频调控系统主要应用矢量控制，促使交流电机调速已经超出以往直流电机调速的性能。直接转矩控制（DTC）原理与交流电机矢量控制（VC）对比具有更为鲜明的特征。例如，不再需要应用旋转坐标变换，存在着静止坐标系上控制转矩与磁链。在DTC 出现后，交流电机控制理论更受到了关注，相关技术的研究也进一步延伸。在国内相关理论以及实践的快速发展下，交流调速技术的应用范围也有所扩展。在市场的不断扩大下，国际范围内不同企业之间的产品竞争也愈演愈烈，直接转矩控制也作为竞争中的焦点之一存在。市场竞争的加剧为研究领域提供了全新的课题，而相应的科技人员需要重新界定DTC 与VC 技术，谨慎评价其应用范畴以及优势与不足，为相关领域的应用提供客观的凭据。

1 变频器发展情况简述

在运动控制系统中，变频器作为功率转换器存在。当前运动控制系统关系着众多学科技术层面，表现为驱动变得交流化、功率变换器高频化方向发展，同时，控制系统逐渐向数字化以及智能化方向转变。基于此，功率转换部件在系统中的作用极为关键，变换器由于具备可控性高性能变压变频交流电源实现了快速发展。在相关技术与理论的不断完善下，电力半导体器件与微处理器的性能也在不断提升。由此衍生出的结果是变频驱动技术实现高速发展。从另外一个层面分析，基于在变频器技术中应用复杂控制技术促使变频器性能不断提升，且应用范围也在不断延伸。当前变频器并不被控制在传统电力拖动系统中获取到广泛应用，在各工业生产领域均有涉及，例如，家电产品中便能够发现其存在。实际上，变频器技术属于综合性较强的技术，属于多项技术的集中应用，同时，也基于这些技术的同步发展，促使变频器技术在短时间内实现了快步发展。变频器技术在各项技术中吸取有助于自身发展的优势进行融合，为此，变频器技术才可得到综合发展。总结而言，变频器技术的发展是伴随着相关技术发展而获取到的。

2 转矩响应

转矩调速系统在投入DTC 直接转矩控制的应用后，其转矩响应与适量控制对比速度更快，适量控制系统转矩阶跃响应约为7ms 左右，直接转矩控制系统转矩阶跃响应能够达到1ms 左右。之所以出现此种结果，其原因为DTC 控制系统借助于电机的电压与电流核算出定子磁链与转矩，应用碰一碰控制完成变频器PWM 控制，DTC 控制系统并不存在电流控制环路。基于此，DTC 控制系统的立足点应该放在电压层面，而非电流层面。适量控制的基础原理为建立在交流电机电流控制基础上，将交流电流依据磁场坐标轴分解成为转矩分量与磁场分量，对其作出分别控制。为此，适量控制的立足点应该为电流控制。在交流电上进行分析，若想在转矩相应速度上进一步提升，基于磁链不发生变化的条件，需要电流的速度作出调整，相应的电流转变主要受到电压快速变化所影响。适量控制系统输出电压在电流调节器输出下所产生，在此种情况下将会涉及电流调节时间的滞后。当前，所应用的矢量控制系统输出电压能够经由电机模型计算前馈电压控制与电流调节同步作用下形成。前馈电压控制方面，动态响应速度在持续上涨状态，而电压输出的前提是利用模型作出可靠的核算。其目的在于控制过冲情况的发生，从而保障电流可控。DTC 存在的不足在于并不存在电流控制环路，碰一碰控制所形成的输出电压也没有合理的电流控制。在此种情况下，可能发生的问题是电压过冲。基于此，电机可获取到较大的电流，加快电流响应。DTC 转矩响应的实现需要一定条件作为支撑，若电压为额定状态，尤其是弱磁运行区域，电压不会出现过冲余度空间。除此之外，规模较大的流动传动需要合理的控制电流。如此，DTC 转矩响应无法实现1 ～2ms 指标的水平。DTC 转矩响应比较容易被PWM 开关频率所影响，也就是碰一碰控制频率。应对利用GTO 与IGCT 原件大规模PWM 变频器，若开关频率过高，则会导致变频器损耗进一步加剧，且运行效率会受到负面影响。针对此，变频器脉宽控制开关的频率应该给予一定的限制。

3 变频器稳态特征分析

在DTC 变频控制器转矩响应的实现过程中，所凭借的基础条件是碰一碰控制。在此过程中，开关频率存在着一定的不确定性，为此，会出现响应的转变，也由此衍生出一系列问题。例如，其一，难以与适量控制器协调统一且被明确的开关频率中，利用PWM 控制方式进行谐波的控制。其二，变频器自身会输出一定电压，为此，电流谐波过高。其三，在应用同样电子元器件的基础上，变频器的输出容量相对较小。基于以上问题，能够发现的是DTC 控制变频器稳态性指标水平还不能够满足实际应用需求。面对需求标准相对较低的动态性能指标通用变频器，如风机与水泵节能传动等，一般性质的工业机械传动变频器效率与谐波具有着至关重要的价值，此条件下，VC 更具有广泛应用的价值。面对规模较大的传动设备，如利用IGCT 原件的三电平高压变频器，容量指标需要引起关注。

4 无速度传感器控制

针对相关产品的宣传问题，将DTC 变频器无速度传感器控制于零速情况下满负荷输出视为DTC 的唯一特征，明显过于片面。DTC 与VC 所利用的是同样的交流电机数学模型，无速度传感器控制并不是DTC 持有的专利，无速度传感器控制室DTC 与VC 控制系统都在关注的发展方向。以往有研究资料显示，DTC 变频器在低速状态下的控制能力相对薄弱，为改善此问题，可引入SIR 方法。而此种控制办法的原理是，建立在电压与电流电机模型核算转子磁链，后利用转子磁链控制补偿DTC 低速状态下的性能发挥。若控制系统处在低速状态，选择ISR，而转变为高速状态则需要变换为DTC。从这一点上来看，DTC 低速特征改善需要建立在VC 的基础上才能够实现。无速度传感器控制属于交流电机调速控制的关键研究方向，同时，也是现阶段相关领域学术界与变频器制造厂所关注的焦点问题。值得关注的问题时，国内在部分高校上投入的研究精力较大，出现了一系列研究文章，但是，无速度传感器控制的实际应用与国外相关产品对比还存在着一定的差距。

5 其他控制方法与发展趋势

高性能的DSP 芯片、电力电子器件的出现与非线性系统理论的发展，研究优于矢量控制的解耦方案成为可能。滑模变结构控制具有较强的鲁棒性与自适应性，促使系统对参数的转变与外界的扰动灵敏性降低。但是，滑膜高频切换控制可在扰动与模型参数的作用下造成抖振情况，从而影响系统的稳态性特征以及定位的精准度。为控制滑模控制器中出现的震颤，引入神经网络控制器，在确保系统稳定性的基础上，控制滑膜线临近状态的抖振情况。模型参考自适应便是将具备待估算参数的方程作为可调模型，两个模型具备同样物理意义的输出量。在工作状态中，应用两个模型输出量的差值，结合适合的自适应率完成参数的调节，最终实现控制对象的输出跟踪参考模型。

6 结语

在市场容量的不断扩增下，世界范围内相关企业之间的产品竞争力势必会随之上升，直接转矩控制会作为产品技术竞争的关键点。在深入开发与展示DTC 技术优势的基础上，市场宣传倾向于DTC 转矩响应速度优势，能够实现1 ～3ms，且可完成无速度传感器调速控制。在上文分析中明确了，直接转矩控制（DTC）原理与交流电机矢量控制（VC）对比具有更为鲜明的特征。在DTC 出现后，交流电机控制理论越来越受到关注，相关技术的研究也进一步延伸。在国内相关理论以及实践的快速发展下，交流调速技术的应用范围也势必会有所扩展。