交流电动机调速系统的研究_交流电动机调速方法

　　摘要：文章首先论述了交流电动机调速系统的发展过程；其次论述了目前变频调速的基础技术，并对控制系统的主电路、控制电路、电气控制电路以及实现控制多元化的实施方案进行了论证；最后完成了电动机调速相应的电气控制电路功能的设计。
　　关键词：三相异步电动机；通用变频器；PWM技术；全数字化控制系统
　　中图分类号：TM921　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1009-2374（2012）21-0010-03
　　近年来，随着能源日益减少，新型节电设备的不断更新和科学技术的飞跃发展，合理化的设计和节电设备的日益广泛应用，给人们工作和生活带来了更多的方便。
　　1　交流电动机调速系统的发展过程
　　1.1　交流电动机励磁调速
　　早期用原动机来驱动一台发电机，而通过控制发电机的励磁来调节发电机的输出电压，借此来调节被驱动电机的转速和电机有功功率输出，还可以关闭和起动电机。
　　1.2　电流电动机可控整流调速
　　随着科学技术不断发展，发明了通过晶闸管的导通时间来控制电压（可控整流技术）。首先是调速系统响应速度得到了很大提高，并且很好地解决了低速情况下的电流断续问题。可控硅调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形，从而改变电动机端电压的有效值，达到调速的
　　目的。
　　1.3　内容摘要
　　1.3.1　变频调速方法
　　变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要通过变频器进行，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交流－直流－交流变频器。
　　变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数），通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
　　1.3.2　变极对数调速方法
　　这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
　　变频器调速的特点是平稳、可根据需要调节速度，是未来交流电动机的发展方向。
　　2　交流电动机调速系统方案论证
　　2.1　单片机调速
　　随着全球范围的数字化控制系统的发展，人们对数字化信息的依赖程度也越来越高。实现调速系统全数字化控制不仅能使交流调速系统与信息系统紧密结合，而且可以提高交流调速系统自身的
　　功能。
　　由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡、滤波器、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。
　　2.2　PWM调速
　　PWM控制是交流调速系统的控制核心，它可以完成任何控制算法的最终实现。
　　关于PWM控制方案已经在各领域有了多个版本的应用，尤其是微处理器技术应用在PWM技术之后，总是不断有新的技术更新，从开始追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从最初效率最大化、转矩脉动少到后来的以消除噪音为主攻课题，这些都是PWM控制技术的不断升级和完善。目前，越来越多的新方案不断地被提出和应用，说明这项技术的应用空间十分广泛。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
　　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，但若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，则可以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，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
　　3　交流电动机调速系统主电路设计
　　综合设备除了计算机外，其他设备的传动、机床、机器人和自动装置的传动、电动汽车以及火车传动等，都离不开调速系统。经过漫长的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主导潮流，一步一步取代传统的直流调速传动。
　　变频器对变换的逆变电源成为变频电源的形式，主要是利用了电机调速用的变频调速器，从而使普通的交流稳压电源形式得到变化的效果，所以对变频电源的主要功能是将现有的交流电网电源变换成所需要频率的稳定的纯净的正弦波电源的效果，理想的交流电源的特点是频率的稳定。异步电动机与同步发电机同轴连接，通过变频器控制电动机的转速可以准确控制发电机输出电流的频率大小，而同步发电机输出电压幅值E与磁通Φ有关，因此调节励磁单元所提供的励磁电流即可以控制发电机输出电压的幅值，最终达到电压、频率分别可调，波形为正弦波。
　　PLC是整个控制系统的核心，它可以给变频器输出转速信号，控制电机的转速；可以按照拟定的控制策略给出励磁单元控制信号，实现与发电机同步电频可调。从而实现整个变频电源输出频率、幅值的连续可调。同时，与触摸屏进行实时通讯，为触摸屏的显示提供数据，并对于触摸屏输入的信息进行处理等，更加人性化。
　　变频恒压供水节制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时报信PLC举行变频泵逻辑切换。为防止水锤征象的孕育发生，泵的启停将联动其出口阀门。
　　假定系统由四台水泵、一台变频器、一台PLC和一个压力变送器及若干辅助器件构成。安装于供水管道上的压力变送器将管网压力转换成0～5V或4～20mA的电信号；变频调速器用于调节水泵转速；PLC用于逻辑切换。如果1#水泵到50Hz但实际值没达到设定值时，1#水泵转到工频，约10秒后，变频器带2#水泵加速，如果还没达到设定值时，2#水泵转到工频，约10秒后变频器带3#水泵加速，加到某一频率值，实际值得到设定值时，变频器开始减速到0Hz后，1#工频泵停机，2#工频泵停机，保持实际值不变，夜间用水量较少时，管网中剩一台变频泵而且频率下降到约35Hz，实际值≥设定值时，约2分钟后，小泵开始启动，到P2（小泵上限压力）值时小泵停机，这时水泵全部休息，管网压力由气压罐供水状态，P2值下降到小泵启动压力值时P1小泵启动，用水量较少时压力到P2时停机，如果用水量较多时，小泵启动，而Hz值低于P1值时，变频器开始带大泵加速到35Hz时，把小泵甩开。如此循环往复工作，大大节约了日趋紧张的用电。
　　此外，上面所说的系统还配备了外围辅助电路，以保障自己主动节制系统出现故障时可通过人工调节体式格局维持系统运行，包管连续生产，使整套系统正常运行。
　　参考文献
　　[1]　王占奎，等．交流变频调速应用例集[M]．北京：科学出版社，1995．
　　[2]　张燕宾．SPWM变频调速应用技术[M]．北京：机械工业出版社，1997．
　　[3]　毛明．一种新型通用变频调速器的设计[D]．四川：四川大学，2001．
　　（责任编辑：刘　晶）