现代交流电机控制的现状与发展展望

2023-08-21贵州水利水电职业技术学院

电力设备管理 2023年13期

贵州水利水电职业技术学院陈意

1 引言

直流电机是人类最早采用的直流电动机，其凭借良好的调速性能与制动性能得到广泛应用，而伴随交流电动机的兴起，其凭借更高的可靠性、适应性、便捷性，在较短时间内大量实现了对直流电动机的替代。特别是各领域生产要求不断提高的时候，对交流电机的控制提出了更高的要求。

2 现代交流电机控制现状

从广义角度，可以将交流电机分成两类，包括同步和异步，这两类电机在基本工程及性能参数上有一定的差异，不过也有一定的类似特征，如机电能量转换是相同的。异步电机对外部环境有很强适应能力，具有大容量的特点，运行稳定性较强，其凭借较高的转速颇受青睐，不过因为长期无法解决非线性性质的高性能转矩控制问题，所以在应用范围上有一定限制性，在恒速运行的场所较为常用，同步电机的出现，重在处理好大容量及系统功率因素调整等问题。同步电机结构如图1所示。

图1 同步电机结构

随着现代工业的发展，不同的生产设备对于电机控制系统的各项指标提出的要求存在一定的差异性，特别是对控制的精度有很高要求，这就给现代交流电机的控制提出了更高要求[1]。相比于直流电机，对交流电机的速度、转矩等进行控制更加便捷，随着20世纪八十年代脉宽调制技术的成熟，已经能够实现对交流电机的数字化控制。同时在电力电子、微电子、计算机控制等技术不断发展的过程中，进一步推动了交流电机电气传动调速系统的发展，并在各大领域得到广泛应用。

3 交流电机的主要构成

3.1 控制器

在电气传动系统当中，针对转速的闭环控制是常用做法，实现对传动系统的控制，为了有效控制电磁转矩，提高电机电磁使用的科学性，一般可以通过电流的作用形成较大电子转矩后，通过加快系统流程，实现对转矩的控制，实现转矩与矢量的解耦控制，这种控制方法在交流电机控制中发挥着十分关键的作用。一方面，针对基速以下的情况，需要具备恒定的磁链条件，随后在控制定速电流及其转速分量的基础上，达到控制转矩的目的。另一方面，针对基速以上的情况，要求采用弱磁控制的手段，适当引入除法环节消除电机内部的乘法效用，通过这种手段达到控制磁链及转矩的目的。需要通过建立转矩模型，得出精准的动态转矩值，采用转矩闭环控制的方法实现对交流电机的控制。

3.2 变频器

交流电机的变频器包括电压和电流两种型号，这两种变频器在频繁加速以及改变转向的系统中比较适用，能保证系统具备较强的稳定性。电压型变频器主要通过直流电压进行固定，通过适当的脉冲宽度实现控制，利用开关实现对脉冲宽度的切换，结合电机使用需求有多种控制方案，根据使用范围的不同适当进行调整，综合考虑软件技术及控制方法[2]。

如采用PWM 控制方法时需要注重对因高次谐波所致的损失进行控制，通过控制降低高次谐波，可以降低电机运行产生的较大噪声，实现对转矩脉动的有效控制，提高电压利用率。工业领域电压型变频器的使用频率较高，主要通过脉冲模型法实现对电机各相位的分析，获取精准的电压数据，结合各模型的记忆器件的数据或者贮存记忆，实现对变频器的控制。PWM 法中正弦波近似三角波比较法，为了使三相电压指令和输出的电压值相吻合，主要通过将三角波的大小值和相应的电压进行对比，在此基础上确定好开关的切换点。

4 现代交流电机控制的发展展望

4.1 变频调速

交流电机在工业生产领域的应用范围较广，几乎所有与供给电量有关的都会使用交流电机。传统电机转速较慢，生产效率达不到预估标准，主要原因是电机启动后转差太小，导致其动态转矩、电流变小，导致时间缩短引发频率持续增长，在提高速度时电机稳定性状态会逐渐达到阈值，如果未停止运行可能引发故障。现代交流电机控制中，变频调速在系统中，主要针对电机的速度及增减时间等展开控制，特别是对不同时段的加速度有着良好控制效果[3]。

该控制技术的采用，在交流电机运行时具有较强的保护作用，能实现对电机速率的优化，发挥对电机本身的保护作用。如运行状态下的交流电机，在高速运转时，可以通过变频器对速率进行调节，实现人工操作及调整速率等工作，避免因交流电机在运行时因发热导致烧毁，变频调速技术基本工作原理如图2所示。在现代交流电机的控制当中，变频控制的方法，主要通过对其升温过程实现控制，避免其温度超过电机本身能承受的最高值，对保障正常的工业生产有着重要意义。

图2 变频调速技术基本工作原理

变频调速技术在现阶段的交流电机控制中得到了广泛应用，受到社会各界的一致认可，在提高交流电机驱动应用频率上发挥出了巨大价值，能为工业生产节省大量电力资源。未来应用变频调速技术时，需要在遵循调速、节能原则的基础上，进一步加大研究及应用力度。站在传送装置的角度考虑，针对不同产品的生产，需要结合实际生产需求做好对交流电机速度的调节，通过对电机的自主控制，保障正常生产。

后续在应用交流电机的过程中，应进一步加强对变频调速技术的推广及应用，便于节省大型设备的运作量，通过对电机的有效控制缩短控制系统反应时间，提高系统控制性能及精准度。在机械生产领域，对交流电机的变频控制，还能简化原本复杂的机械程序，更好地满足现代交流电机控制的要求，因此对变频调速技术的研究、推广力度将进一步增强。

4.2 直接转矩控制技术

直接转矩控制属于一种新型的电机控制手段，无差拍控制可以在特定的控制周期中，有效消除定子磁链模值，针对电磁转矩一定程度上将动静态之间的误差消除，避免在使用滞环比较器时候出现的转矩脉动，使电机的运行状态可以达到一种超低速的标准，使得调速的范围进一步得到拓展。在现代科技不断进步的过程中，人们对该技术的研发力度正不断增强，高频化在未来将逐渐成为交流调速的主要发展方向，并发挥出更佳的调控性能，特别是在消除转矩脉动上将成为一项核心技术进行研发。同时，该技术未来将呈现智能化发展趋势，这是实现现代交流电机自动控制的根本条件。现阶段直接转矩控制在交流电机控制中的应用，主要采取的技术手段如下。

一是神经网络控制。通过对人体大脑的神经系统的模拟，建构一种由大量“神经元”组成的复杂网络系统，其容错性较强，具有多输入与输出的特性，常用于控制多变量系统[4]。

二是模糊控制。其主要是在人工控制规则的基础上，通过对规则决策表实现控制，结合人类的思维，如模糊量、控制量等，在模糊推理的基础上导出实现控制。

4.3 电力电子技术

交流电机控制中电力电子技术发挥着重要作用，在实现对交流电机的控制时需要用到大量大功率半导体元器件，通过不断对元器件的改善和创新，从一定程度上能有效提高交流电机控制水平。现阶段，随着各类元器件在交流电机控制系统中的使用，各类元器件的性能、参数不断提升，已经逐渐具备人类智能特征，元器件高频率的特征逐渐凸显，在实际运行中能保证电机控制的安全性、可靠性。国外企业已成功研发全新的交流电机控制元器件，这些元器件的基本频率通常不会超过20Hz，基于此，不管是针对电流或者电压这些指标，都能从一定程度上体现出元器件的先进程度。

结合当前大功率元器件的发展状况，其未来发展方向必然是智能化、集成化，过去采用的大功率模块主要是集成电路系统的过渡产品，是结合了电力电子与微电子技术的产物，不但能使控制系统的可靠性得到提升，还可以减少系统开发时间，节省投入成本，大幅提高现代交流电机控制的质量。

4.4 矢量控制

该技术是近年来兴起的新兴技术，在电机磁通量控制、调节器自整定、电机变换等方面发挥着重要作用，如非线性自抗扰控制器，其在异步电机中比较适用，能有效替代传统的PID 控制器，支持交流电机正常运行；在矩阵式变换器的帮助下，针对异步电机的调速控制，主要通过相应的组合控制策略，发挥出直接磁场定向矢量控制的作用。

针对交流电机的矢量控制，在其未来发展中，将创新研发出更多新的技术手段，矢量控制将体现出更强的效率和性能，综合采用交流电机专用DSP以及软件系统，积极落实更具实用性的转子磁场定向方法和更精准的磁通观测器的开发和研究，有效带动提高变频器的启动转矩，使变频器具备较高的过载能力，这是该技术未来发展的主要方向。未来，无速度传感器的交流异步电机驱动系统、永磁电机驱动系统控制等同样是研发的重点。如永磁电机驱动系统凭借自身较强的可靠性、高效性得到广泛关注。

4.5 电机控制相关技术的发展

常用于交流电机控制的集成电路主要分为三类，包括DSP、MCU 和ASIC。电路集成有两条途径，一条是将硬件及程序基础结构设置在同一模板，比如有些控制模块集成了键盘操作、数字控制、LED显示电路等功能，可以通过预置实现多种控制目标。另一种是将控制器和中电流功率MOSFET 在同一芯片上集成，并通过集成芯片有效应对多数工作中的问题。为了控制少数需要大量并行处理的电机，可以开发和使用如ASIC 芯片此类专用控制芯片。

MCU 在存在大量I/O 操作的场合下比较适用，不过交流电机运行时，MCU 的控制精度不高，在未来生产中需要结合实际情况确定。目前国外一些比较著名的集成电路芯片制造商相继推出的各自的优势产品。如在低成本的交流感应电机的控制系统中，8位pic18fxx31系列产品较为适用，在具有较高精度要求和较快运行速度的电机控制系统中较为适用16位dspic90fdsc 系统产品。