1、现代调速技术课程论文现代调速技术课程论文 1 中国矿业大学 课课 程程 论论 文文 课程名称：课程名称：现代调速技术现代调速技术 论文题目：论文题目：交流异步电动机控制技术发展综述交流异步电动机控制技术发展综述 班班 级：级：电气工程与自动化电气工程与自动化 1212 级级7 7 班班 姓姓 名：名：傅傅 永永 康康 学学 号：号：0411155904111559 指导教师：指导教师：王王 颖颖 杰杰 提交日期：提交日期：2015 年年 11 月月 6 日日 现代调速技术课程论文现代调速技术课程论文 1 交流异步电机控制技术发展综述交流异步电机控制技术发展综述 傅永康（中国矿业大学，江苏省，徐
2、州市）The Summary of Asynchronous Motor Control Methods FU Yong-Kang(China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu Province,China)ABSTRACT:AC induction motors are the most frequently used to in our everyday life motor,it is widely used in various occasions factories,coal mines,automobiles,ho
3、usehold appliances,ships,weapons,etc.,to give our lives to provide a great convenience.In its use of the process,AC induction motor control technology are developing rapidly,from the traditional frequency control system,by controlling the amplitude and frequency of the stator voltage to control the
4、electromagnetic torque output to the vector control technology and direct Torque Control technology,through the asynchronous motor mathematical equations decoupling,and thus the asynchronous motor excitation current and the torque current are controlled separately,so that the induction motor can be
5、controlled like a DC motor as to dramatically improve the dynamic AC motors performance and scope.KEY WORDS:Asynchronous motor；Vector control；Direct torque control；Methods 摘要：摘要：交流异步电机是我们在日常生活中最常见到的电机，它广泛的使用于工厂、煤矿、汽车、家电、船舶、武器等各个场合，给我们的生活提供了很大的便利。在对其的使用过程中，交流异步电机的控制技术也在迅猛发展，从传统的变频调速系统，通过控制其定子电压的幅值和频率
6、来控制输出的电磁转矩，到矢量控制技术和直接转矩控制技术，通过对异步电动机数学方程进行解耦，从而对异步电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，使得异步电动机可以像直流电动机一样进行控制，从而大幅度提高交流电机的动态性能和使用范围。关键词：关键词：异步电动机；变频调速；矢量控制；直接转矩控制；人工智能；综述 0 0 引言引言 交流异步电机的控制技术的发展是很迅速的，从刚开始的变频调速系统，到矢量控制技术，再到直接转矩控制技术，最后随着现代智能控制的技术发展，出现了模糊控制技术和基于神经元网络的控制技术，解决了许多实际中存在的各种问题，极大的拓展了交流异步电机的使用范围，取得了极大的经济效益。变频变
7、频调速系统调速系统 变频调速系统主要是由变频器、电动机和工作机械等装置组成的机电系统。电力拖动的任务是使电动机实现由电能向机械能的转换，完成工作机械启动、运转、调速、制动作业的要求。变频调速系统也就是由电动机带动机械设备以可以自由调节的速度进行旋转的运动系统。1 1.1.1 变频调速系统的发展历程变频调速系统的发展历程 在上个世纪七十年代以前,高性能的可调速系统通常都采用直流电机,而不变速传动或简单调速传动则采用交流电机,主要是因为直流传动具有优越的可控制性能1。直到二十世纪七十年代,人们成功开发出了高效的交流变频器,使得交流笼型电机进入了可调速领域由于其具有结构简单、成本低廉、维护方便、工作
8、可靠、转动惯量小和效率高等优点,交流电机很快成为可调速传动的主流2。在最初研究和应用交流调速时,人们只能从交流电机的稳态模型出发来探讨调速方法,对其动态模型还不十分清楚。接着出现了恒压频比的控制方法,它被普遍应用于风机、水泵调速等这样一些没有高动态性能要求的节能调速中。分析异步电机稳态模型可知,当磁通恒定时,采用转速闭环的转差频率来控制,可使调速变得平滑而稳定,从而获得较高的调速范围,大大提高了交流异现代调速技术课程论文现代调速技术课程论文 2 步电机的调速性能3。目前,变频调速技术受到交流调速技术和微机控制技术发展的影响,其研究和应用将朝着高性能交流变频调速和特大容量、极高转速的交流变频调速
9、方向发展。交流异步电机被广泛应用于提升机、离心机、机床和压缩机等工业设备当中,所以研究一些高性能的交流异步变频调速系统就显得尤其重要。1.21.2 变变频调速系统频调速系统的原理的原理 据电机学理论,交流异步电动机的转 速表达式为4:n=60 (1 )其中 n 为电机转速,f 为电源频率,s 为转 差率,p 为电动机极对数。转速受后三者的 影响,但能使交流电动机调速效果最佳的 为通过改变电源频率 f 的方法,即变频调 速。我们知道,交流异步电动机的定子绕 组切割旋转磁场磁力线产生定子绕组的感 应电动势,可用下式计算其有效值:U E=4.44Kf 其中 U 和 E 为电压,K 为电动机的一个 特
10、定常数,为磁通。由上式可知,若定子 U电压不变,则磁通随着频率 f 的提高而减小,使得电动机的动力不足而过载能力下降,随频率 f 的减小而增加,使励磁电流上升,增加了铁损,从而降低了电动机的效率。可见,只有使气隙磁通为一常量的条件下,改变频率f的同时协调的改变定子电压U,才能使电动机获得较好的工作性能。要保证=C 为一常数,就必须在将频率 f 从基频 fsn 向下调节时,同时降低 E,即满 足:=上式说明在频率降低过程中能保证=C,从而使转矩 T c=T cmax=C,取得较好控制效果。在基频 fsn 以上调速时,频率可增大,但是端电压 U 最多只能维持在额定值 Um,这会造成磁通与频率成反比
11、的下降。如果电机在不同转速下都具有相同的额定电流,这时电机运行转矩基本上随磁通变化,即在基频以下为恒转矩调速,以上为恒功率调速5。2 2 矢量控制技术矢量控制技术 交流电机矢量控制概念最早是由德国学者 K.Hass 博士提出的。20 世纪 70 年代,西门子公司的 B.laschke 将这种一般化的概念形成系统理论,定名为磁场定向控制。矢量控制的提出大大拓展了交流电机的应用范围。通过 30 多年的发展,矢量控制理论已经比较成熟,并且随着计算机技术的发展,高速的控制芯片已经完全可以满足矢量控制所要求的复杂算法的实现。如今异步交流电机矢量控制已广泛应用在各个领域。目前在矢量控制技术研究方面,日本、
12、美国和德国走在了世界的前列。2.12.1 矢量控制技术的原理矢量控制技术的原理 在电机学中，机电能量转换必须通过电磁祸合，磁通与电流的乘积产生了电磁转矩，磁通与转速的乘积产生了感应电动势，无论是交流电机还是直流电机都遵循这一规律，交流电机与直流电机的结构和工作原理不同，各自转矩和电动势的表达式差别较大。对于直流电机，其电磁转矩表达式为7:Te=CTmI 其中 CT为由电机结构决定的转矩常数,磁通 m和电枢电流 I成正交关系，对于他励直流电机励磁绕组和电枢绕组相互独立，可以分别单独控制励磁电流和电枢电流。若不考虑电枢反应，励磁绕组产生的磁势和电枢绕组产生的磁势在空间上相差 900，二者无交叉祸合
13、。这样，只要保持励磁电流不变使磁通 m恒定，就可以通过控制电枢电流I来精确控制电磁转矩。这样，用相应的线性控制方法可以实现直流电机的控制8。对于异步电机，其物理意义上的转矩表达式为:Te=CT m Ir COS 其中，气隙磁通 m由定子磁势和转子磁势所合成，无法通过简单的方法使其恒定，转 子电流不仅与定子电流 Ir和 m。，有关，还与电机转差率等电机状态有关，是不能直接控制的。磁通 m和转子电流 Ir不正交且相互关联，故异步电机的电枢和励磁是祸合的，其数学模型是非线性的，在动态中控制转矩和磁通比较困难9。异步电机变压变频调速时，需要对输入现代调速技术课程论文现代调速技术课程论文 3 信号电压和
14、频率同时进行控制。为获得较高 的动态性能，输出变量中需要对转速、转矩和磁通均施加控制，所以异步电机是一个多 变量系统。异步电机的定子和转子分别有三相绕组，各个绕组都有自身的电磁惯性，各绕组间交叉藕合，而且异步电机的电压、电流、磁通及电磁转矩各变量相互藕合。所以异步电机动态模型是高阶的。异步电机的动态数学模型是一个多变量、高阶、强祸合的非线性系统，对异步电机进行控制时，不能简单地使用与直流电机相同的方法来设计和分析。为了使交流电机调速系统获得优良的静、动态性能，学者们提出了矢量控制理论。矢量控制的出发点是将交流电机等效为直流电机来控制，即通过矢量坐标变换将交流电机定子电流分解成励磁电流分量 IM
15、和与之垂直的转矩电流分量 IT，保持励磁电流分量不变可保持磁通m恒定，通过控制转矩电流分量就可以控制电磁转矩 T，如此实现了磁通与转矩控制的解耦。将这两个电流分量作为控制信号来调节电机动态性能，再经过反变换将其变为三相电流作用到逆变电路，就可得到与直流电机类似的控制效果10。由三相异步电机的工作原理可知，当在定子三相对称绕组通以互差 1200的三相电流时，在空间上会产生旋转磁场，其旋转速度与三相电角频率相同。因电机转子与旋转磁场存在相对运动，转子绕组切割磁感线产生的感应电动势进一步产生了转子电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生了电磁转矩，从而使转子带动负载旋转11。理论上，并不必须由三相绕组来
16、产生旋转磁场。当在空间上两相互相垂直绕组通以互差 900的交流电时，也会产生旋转磁场，只要保证所产生的旋转磁场与三相绕组产生的旋转磁场方向大小一致，就认为该两相绕组与三相绕组等效。若在这两相绕组中通入的是直流电流，并让它们以同步角速度旋转起来，这样产生的磁场也是旋转磁场，保持其中一个绕组轴向与磁场同相，则磁场由该绕组电流决定，该相电流相当于直流电机的励磁电流，记为 IM，另一绕组电流相当于直流电机的电枢电流，记为 IT。这样，调节 IM即可控制磁场，调节 IT就可以调节电磁转矩。矢量控制就是将三相坐标系变换到两相旋转坐标系实现对被控制量的解耦，进而借助直流调速系统设计中所使用的一些经典方法来进
17、行交流调速系统的设计12。2.22.2 矢量控制技术的优缺点矢量控制技术的优缺点 在异步电动机的矢量控制中，磁链的捡测是非常重要的。有文献认为:以转子磁场定向的矢量控制方式，转子磁通检测精度受转子时间常数影响较大，在一定程度上影响电机的调速性能13。以定子磁场定向和气隙磁场定向的矢量控制方式，一般利用定子方程作为磁通观测器，温度的变化对参数的影响不大，但是在低速运行时，由于定子电阻压降占端电压的比例较大，使反电动势的误 差较大14，在某种程度上影响了电机调速的精度和性能。显然，这种观点是值得商榷的。事实上，电机的磁链捡测取决于磁链观测器的设计，与磁场定向的控制方式无关。3 3 直接转矩控制直接
18、转矩控制 随着交流调速技术的不断发展，直接转矩控制策略在工程实践中的地位越来越重要。以其简单的结构、快速的转矩响应、较好的动态和静态性能以及不依赖于电动机多种参数限制等优点，得到了广泛的认可15。矢量控制的出现打破了电气传动领域那种僵硬的思维框架，促使各种控制策略的迅猛发展，在它的影响之下调速领域可谓出现了一种百花齐放的峥嵘景象，例如转差矢量控制、标量控制等，它们都是模仿矢量控制的解耦思想，在这些方法当中最具引人注目的当属直接转矩控制技术16。这项技术首先是由德国鲁尔大学的 Depenbrock 教授于1985 年提出，他的思想是控制异步电动机的电磁转矩和定子磁链，省去对电流环的控制，通过这种
19、策略会使系统具有更好的动态性能。特别是在大功率机车中，将定子磁链控制成为六边形，能够减少功率管的切换次数，改善电力电子器件的性能。这种方法被称之为直接自控制。两年后这种控制方法被推广到了弱磁调速范围内，并于 1988 年以英文的形式发表在 IEEE 杂志上17。但是随着后续的研究发现，这种传统的现代调速技术课程论文现代调速技术课程论文 4 直接自控制策略在低功率系统中转矩脉动比较大，会造成转速波动大，稳态性能不佳等问题，从演化出新的想法，将定子磁链的轨迹变为圆形。1986 年日本 LTakahaslu 教授提出了控制定子磁链为圆形的策略，这就是直接转矩控制，简称 DTC18。3 3.1.1 直
20、接转矩控制的原理直接转矩控制的原理 直接转矩控制策略，关键在于控制定子磁链，保证磁链幅值不变，在磁链幅值不变的情况下直接控制电磁转矩。它强调的是电磁转矩的直接控制效果，采用基本电压空间矢量使定子磁链的轨迹为六边形或者近似为圆形。如图 1，把电压空间矢量图划分为六个区域，称这六个区域为六个扇区，扇区编号分别为 1,2,3,4,5,6。图 1.正六边形磁链轨迹 定子磁链在逆变器输出的基本电压空间矢量的作用下，将沿着基本电压空间矢量的切换方向移动。例如，定子磁链 在图 1中的位置，当基本电压矢量为 Uo时，磁链矢端从 A 运动到 B，到达 B 点后，如果此时基本电压矢量变为 U60，磁链矢端将从 B
21、 运动到 C。如此一来，当逆变器输出的六个非零矢量循环一个周期，磁链 的轨迹将会成为一个六边形19。如图 2，为直接转矩控制系统的基本结构。图 2.直接转矩控制系统结构 直接转矩控制系统应用磁链和转矩调节器限制定子磁链和电磁转矩幅值的变化范围，使其在允许的范围内波动，一旦超出这个范围，通过改变对应的电压矢量，使其回到容差范围内20。3 3.2.2 直接转矩控制技术的优缺点直接转矩控制技术的优缺点 直接转矩控制的思想是在静止坐标系中构建定子磁链和电磁转矩的数学模型，利用电压空间矢量的方法实现对电磁转矩和磁链的控制，实现逆变器开关信号和电动机定子电压的协调匹配，省去了电流闭环结构21。这些控制思想
22、的实现使直接转矩控制系统具有结构简单、转矩动态响应快、电动机参数依赖性小、鲁棒性好等诸多优点，因此直接转矩控制策略的出现也使交流调速的发展进入了一个更高水平的发展阶段。4.4.基于人工智能基于人工智能的控制技术的控制技术 模糊控制作为智能控制的其中一种，同时为一种非线性控制。在不需要被控对象精确的数学模型的条件下，将工作人员在工作过程中总结出的实践经验进行,结从而形成语言控制策略。模糊控制避免了被控对象的不精确性、噪音和非线性等特点的影响22。目前，工业上普遍使用的控制器的参数大多采用试凑法、经验法，控制效果显然不是最优的，因此开发一种不基于模型的智能控制器成为近年来的发展方向。模糊控制就是其
23、中的一种，但是由于模糊控制器是有差控制，为了消除静差一般都要加入积分器，这样就势必导致控制品质的下降。径向基函数(RBF)人工神经网络作为智能控制的一种途径，具有收敛速度快、全局逼近能力强等优点，在解决非线性和不确定系统的控制方面应用广泛并且性能优良。单神经元自适应智能控制器是传统 PID 控制器的改进形式，具有自学习、自适应的能力，结构简单并且能适应环境变化，有较强的鲁棒性，能克服常规控制器在控制非线性系统时随动性差的缺点。为此，本文提出了一种基于神经网络的智能控制，利用单神经元的自学习自适应能力构造一种自适应智能 PID 控制器 NNC，输出控制量;闭环系统的期望行为则由一个稳定的参考模型
24、给出，RBF 神经网络作为一现代调速技术课程论文现代调速技术课程论文 5 个模型辨识器 NNI 来逼近实际的系统，系统的输出误差来对此 NNI 进行训练，并通过NNI 反向传播至 NNC，这样就构成了一种间接的模型参考自适应控制，实验和仿真结果表明该方法能够有效的提高系统的控制性能，具有一定的实用价值23。5 5.结论结论 交流异步电动机的用途很广，在不同的场合，不同的领域都有应用，在其工作的过程中会面对不同的问题，光靠现在已有的控制技术并不能完全解决其所有的问题，虽然也有人开发出了基于人工智能的控制技术，但是同样面对诸多理论和技术问题尚未解决，如对系统性能尚缺少客观的理论预见，且智能控制系统
25、非常复杂，计算量大，对硬件要求高。到目前为止，仅依靠智能控制还很难理想地解决电机控制问题，一般多是和传统的异步电机控制相结合，取长补短交叉综合控制异步电动机。参考文献参考文献 1 李德华.交流调速控制系统M.北京:电子工业出版社,2003.2 唐敏.变频器技术的现状与发展J.机电产品的开发与创新，2000.3 李春文，张爱芳.交流异步电机变频调速系统研究综述J.河南：科技资讯，2009.4 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统M.北京:机械工业出版社,1998.5 张恒，董改花.变频调速系统综述J.矿山机械，2009.6 赵震，刘志刚.大功率异步电机矢量控制系统J.北京：电机与控制应用,2007.7
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