异步电机交流调速控制交流技巧

异步电机的调速方法主要有调定子电压调速、滑差电机的转差离合器调速、绕线转子型电机的转子串电阻调速、串级调速、双馈调速、变频调速等。转差功率是否被损耗，是衡量异步电机调速系统效率高低的主要标准，高效调速指转差率不变，因此无转差损耗也不变，有转差损耗的调速方法属低效调速，如调定子电压调速，转差功率以发热形式消耗在转子电阻中；转差离合器的调速方法，能量损耗住离合器线圈和磁极中；转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中。因此，这些方法均属于转差功率损耗型，效率较低。串级调速和双馈调速可以把吸收的转差功率返回网或转换能量加以利用，属于转差功率利用型，但是调速范围较窄，且谐波影响较大。变频调速是通过改变电机定子电源的频率进而改变其同步转速的调速方法，没有转差功率损耗，效率高、调速范围大、机械特性硬、精度高，因此得到广泛的应用。

20世纪90年代后，交流电机驱动系统研制和开发有了新的突破。当电动汽车减速或制动时，电机处于发电制动状态，给电池充电，实现机械能到电能的转换。在电动汽车上，由功率半导体器件构成的PWM功率逆变器把蓄电池提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电。三相异步电机逆变器的控制方法主要有U/f恒定控制法、转差率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法（DTC），见表5-1，其中，后2种控制方式目前处于主流。

表5-1　异步电机的转矩控制法

（1）矢量控制法

矢量控制又称磁场定向控制，按同步旋转参考坐标系定向方式可分为转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向控制。转子磁场定向可以得到自然的解耦控制，在实际系统中得到广泛应用，而后2种定向会产生耦合效应，必须通过解耦的补偿电流实施补偿。

矢量控制理论于1971年由德国西门子公司的Blaschke等人提出。它可以实现转矩和磁通的解耦，可以根据期望得到的性能要求分别进行控制。矢量控制的思想是将交流电机的三相定子坐标转换为两相定子坐标，然后再转换为同步旋转坐标，产生同样的旋转磁场的情况下，同步旋转坐标系中电流为直流，也就是实现了交流电机的解耦。

矢量控制的坐标变换公式为

逆变换公式为

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电机转矩的目的。其原理是将异步电机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称之为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。它是一种控制异步电机的方法，与直流电机类似，也可得到高速转矩响应。商业应用中广泛采用AC伺服技术，这种技术在电动汽车的早期阶段也被广泛采用。与前面提到的无位置（或者速度）传感器法相反，这种方法具有必须使用传感器、控制坐标变换的电路较为复杂、易受转子阻抗等参数变动影响等缺点。然而，近年来为矢量控制而出现的专用的DSP、高水平控制理论的使用、无传感器化自动转向法等可以使参数恒定的新科技也渐渐得到了应用。常见的异步电机矢量控制图，如图5-13所示。

图5-13　异步电机矢量控制图

异步电机的转矩与电流有如下关系

式中，Lm是定子、转子互感；p是电机极对数；Ir是转子电感（折算到定子侧）；Tr是转子回路时间常数（Tr＝L/Rr）；Rr是转子电阻（折算到定子侧）；，Is是定子电流矢量的幅值；s是转差率。

从式（5-10）可以看出，Te与Is为非线性关系，Te与s也为非线性关系。这就是交流电机调速控制难度大的原因所在。

直流电机为了保持励磁与电枢的独立性，励磁磁通与电枢电流的大小是独立变化的，产生的转矩与它们的乘积成比例，例如在励磁电流恒定的情况下，具有仅控制电枢电流就能产生可高速控制的转矩这一优点。相反，在异步电机中，由于转矩分电流与相关的励磁电流以及电枢电流相同，在三相交流状态下从定子侧同时提供，所以转矩控制十分复杂。直流电机中励磁控制时常量比较大、电枢较小。这些掺杂在一起进行控制的时候，电枢、励磁不能得到正确控制，因此必须采用非干涉控制。

三相异步电机中，从与基波一同回转的回转坐标系上看的话，励磁是静止的，故可看作直流电流。

异步电机的特性方程式为

式中，是初级电压的矢量；ω是电源角频率；s是转差率；L1、L2是初级、次级自感；M是互感；p＝d/d；R1、R2是初级、次级电阻。

转子锁交磁通矢量＝Mi2＋L2i2＝L2i'0，这里励磁电流i'0定义为基本矢量。

从上式可以得到i0＝i'0(www.xing528.com)

式中，是初级电流、次级电流的矢量。

另一方面，由于转矩中正交，可得

当i'0为定值时，pi'0＝0，从初级换算如，所以

式中，i0是决定励磁电流的励磁分电流；iT是决定转矩并可进行高速控制的量，即转矩分电流。

此外，因为　R2 iβ＝sL2i0

由于输出电流从三相至两相的变化，i1：i1α＋ji1β可以记作

基于转差率控制的矢量控制方式同样是在进行U/f为恒定控制的基础上，通过检测异步电机的实际转速n，并得到对应的控制频率，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率进行控制。基于转差率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用基于转差率控制的矢量控制方式。

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。它的基本控制思想是根据输入的电机铭牌参数，按照转矩计算公式分别对基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电机定子绕组上电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电机相匹配，而且可以控制异步电机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前，新型矢量控制通用变频器中，已经具备异步电机参数自动检测、自动辨识、自适应等功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电机正常运转之前，可以自动地对异步电机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电机进行有效的矢量控制。

除了无传感器矢量控制、转矩矢量控制和可提高异步电机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电机控制参数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等。为了防止异步电机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整控制技术等方式，已经实用化并取得良好的效果。

（2）直接转矩控制法

直接转矩控制以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。与矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。图5-14所示为一种直接转矩控制异步电机的系统框图。

图5-14　直接转矩控制系统框图

由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算、为解耦而简化了异步电机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。

此外，弱磁及高效率控制也得到广泛的应用。与并励直流电机的情况类似，高速时感应电动势增加、无电流通过，从而不产生转矩。当转速增加到一定程度时励磁变弱，有产生转矩分电流的趋势。基于这种考虑，依靠转速函数而获取弱磁的控制方法得以实现，磁通在饱和密度以下时励磁恒定，在饱和密度以上时磁通与速度成反比产生弱磁。弱磁控制类似于直流电机的情况，不能进行高速控制，因此必须采用具有一定余量的控制。异步电机在低转矩负荷的情况下，不一定需要很大的励磁电流。由于端电压增加，铁损也随之增加。因此，在低转矩时要考虑采用什么样的弱磁。

复习思考题

1.交流异步电机可分为几种类型？

2.交流异步电机有什么控制技术？

3.再生制动需要具备什么条件？根据直流电动机的工作原理，试述直流发电机的工作原理。

4.交流异步电机如何进行交流调速？