异步电动机的变频调速控制方式

异步电动机的变频调速控制方式为了更好地在整体上对异步电动机的变频调速控制方式加以认识，本文简要介绍了异步电动机调速的基本方法。

按时间顺序综述了异步电动机变频调速的经典控制方式的基本原理，分析了它们的优缺点，并给出了实际应用。

对所述各种控制方式之间的内在联系和区别进行了归纳和总结。

对未来异步电动机变频调速控制方式的发展做出了展望，为异步电动机变频调速控制方式的研究提供了参考。

1 引言由电机理论[1]可知，异步电动机转速公式为：60(1)f s n p-=（1） 其中：n —异步电动机的转速 f —电源频率 s —转差率 p —极对数由式(1)知，异步电动机的调速可通过变频、变极对数和变转差率实现。

本文只讨论异步电动机的变频调速策略。

自上个世纪90年代以来，近代交流调速步入以变频调速为主的发展阶段，其间，由于各种新型电力电子器件的支持，使变频调速在低压（380V ）中小容量（200KW 以下）方面取得了较大发展[2]。

通常，为了充分发挥电动机的性能，应保持定子磁链幅值为额定值。

由电机学的知识可知，异步电机气隙磁通在定子绕组中的感应电势有效值：4.44s s s m E fN K φ= （2）其中:s E —气隙磁通在定子绕组中的感应电势; s f —定子电流频率;m φ—每极气隙磁通; s N —绕组匝数; s K —系数可见，只要控制s E 和s f ，即可控制磁通。

由定子电压平衡关系（式中只表示大小）：1111()s U I r jX E =++ （3）其中：1U —电动机的端电压 1I —定子电流; 1r —定子电阻; 1X —定子漏抗;当定子电流频率s f 较高时，感应电势s E 的有效值就较大，可以认为定子相电压有效值1U ＝s E 。

由此，可以通过控制使/U f 恒定，使磁通恒定。

要恒U/f 控制，就必须使频率和输出电压同时改变，这就是变压变频，即VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)调速技术。

2 控制方式2.1 SPWM控制PWM（Pulse Width Modulation）控制的基本原理很早就已经提出，它是基于采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

由此，可对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需的波形[3]。

1964年A.Schonung和H.stemmler把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。

随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

如今，工程上采用的PWM控制技术主要是正弦PWM，即SPWM，它是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

SPWM控制不仅可以实现变压变频，而且能削弱或消除有害的高次谐波。

SPWM方案主要有电压正弦PWM、电流正弦PWM：电压正弦PWM是通过调节逆变器输出脉冲的占空比来调节输出平均电压，使其等效为正弦波形。

电流正弦PWM是为了改善逆变输出电流波形提出的电流闭环控制方式，常用方法是电流滞环SPWM[4]，就是以一个理想的电流正弦波形为标准，与实际电流波形作比较，实际电流围绕理想电流在滞环容差范围内作往复振动，使输出电流近似正弦波形。

早期通用变频器多为SPWM控制方式。

其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是转矩响应慢，电机转矩利用率不高，性能、稳定性差。

对于SPWM控制的三相PWM逆变电路来说，在调制度为最大值1时，输出相电压的基波幅值为/2U（d U为直流侧电压），输出线电压d基波幅值为U，即直流电压利用率仅为0.866。

为了解决这个问2)d题，人们想到了空间矢量PWM控制技术。

2.2 空间电压矢量PWM空间电压矢量PWM（SVPWM）控制技术，又称磁通正弦PWM控制技术。

电压SPWM和电流SPWM是从电源角度出发，分别追求电压和电流的正弦，而SVPWM则是从电机的角度出发，把电动机和逆变器看成一个整体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场，因为异步电动机在理想状态下运行时的磁链轨迹即为圆形。

根据三相逆变器的原理，逆变器共有8种工作状态。

假设上桥臂导通用“1”，下桥臂导通用“0”表示，那么这8个状态就对应着8个数字量，将它们定义为8个基本电压矢量则有：u（000）、1u（100）、u（110）、3u（010）、4u（011）、5u（001）、6u（101）、7u（111），2如图1所示。

(110)(010)(001)(101)2u 1u 3u 54u 60u 7u图1 基本电压空间矢量图异步电动机定子磁链与电压关系如式（4）()s s s s u i R dt ψ=-⎰ （4）其中：s ψ—定子磁链空间矢量s s s u i R 、、—定子电压空间矢量、电流空间矢量、电阻可见，空间电压矢量的方向即定子磁链的旋转方向。

因此，利用上述的8个电压矢量的线性组合，就可以得到更多的与其相位不同的新的电压矢量，最终构成一幅等幅的不同相位的电压空间矢量图，叠加形成尽可能接近圆形旋转的电压空间矢量轨迹，进而使定子磁链旋转轨迹近似圆形。

将这8个电压矢量首尾相连形成的正六边形就是SVPWM 方式所输出的最大幅值电压矢量端点的轨迹，如图1，设此电压矢量最大幅值为ref U 。

正六边形的内切圆则为要获得的接近圆形旋转的电压空间矢量轨迹，内切圆半径为逆变器输出三相电压的最大相电压峰值，设为out U 。

由逆变器结构知，ref U 等于2/3DC U ，DC U 是直流侧电压。

这样，可得out U3DC U ，而SPWM 方式时，输出相电压的基波幅值为/2d U 。

于是有1.1547DC = （5） 可见，SVPWM 比SPWM 方式的直流电压利用率提高了15.47%[5]。

前面所讨论的异步电动机调速系统都是对控制量的幅值进行静态控制，比起直流电动机双闭环调速系统的动态性能，逊色不少。

矢量控制方式的出现，解决了这个问题。

2.3 矢量控制1971年，德国的 F. Blaschke 等人首先提出矢量变换控制（Transvector control ）。

矢量变换控制使异步电动机调速像直流电机调速那样实现了磁通和转矩分别控制[6]，从而使异步电动机调速系统具备了如直流电机调速系统般的优良的静、动态性能。

矢量控制基于转子磁场定向，它是将一个静止坐标系中的三相交流磁场系统和一个旋转坐标系中的直流磁场系统通过一个静止坐标系中的两相交流系统互相等效变换，从而实现对异步电动机调速系统的磁通和转矩分别控制。

如图2，将用于控制交流调速的给定信号分解为励磁电流信号M i 和转矩电流信号T i ，分别通入假想的两个互相垂直的旋转坐标系中的直流绕组。

将两个旋转坐标系中的直流信号M i 和Ti 作为基本控制信号，经过Park 逆变换转换为静止坐标系中的两相交流信号i α和i β，再经过Clark 逆变换转换为静止坐标系中的三相交流信号A i 、B i 和C i 去控制逆变电路。

对于反馈，是将传感器得到的静止坐标系中三相交流数据经Clark变换为静止坐标系中的两相交流信号，再经过Park变换转换为旋转坐标系中直流信号来修正基本控制信号i和T i。

通过上面的思想对非线性、强耦合的异步电动机进行线M性近似，将其转矩和磁链完全解耦，实现矢量控制[7]。

图2 矢量控制原理框图目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种[8]。

德国西门子开发的6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。

虽然矢量控制使异步电动机具备了像直流电动机相似的特性，但是异步电动机的转子磁链难以准确观测，而且电动机参数对其性能影响较大，这些使得矢量控制的实现难以达到预期效果。

为了消除矢量控制的这些弊端，直接转矩控制方式应运而生。

2.4 直接转矩控制直接转矩控制英文称为DTC（Direct torque Control），是由美国学者A.B.Plunkett于1977年首先提出，德国的Depenbrock教授[9]和日本的Takahashi 教授[10]在20世纪80年代中期分别在直接转矩控制应用上取得成功。

直接转矩控制是目前广为研究的电机控制理论之一，已在异步机上取得了成功。

由于该理论直接对转矩进行控制，避免了矢量控制中计算量大、效果易受电动机参数变化影响的缺点，使异步电动机的瞬态性能得到了显著的改善。

图3所示的是直接转矩控制系统的框图，该系统采用定子磁场定向，直接在定子坐标系下计算和控制异步电动机的转矩，将实际转矩、磁链分别与给定值比较，形成转矩、磁链的闭环控制。

图3 直接转矩控制系统的框图定、转子磁链与电动机转矩之间的关系可用式（1）表示。

13sin 2d s r T L σψψθ=（6）s ψ—定子磁链空间矢量rψ—转子磁链空间矢量θ—定子磁链与转子磁链间的夹角，单位度T—电动机转矩，单位N·md—电机总漏感，单位HLσ为了充分发挥电动机的性能，应保持定子磁链幅值为额定值，而转子磁链幅值由负载决定[11]。

因此，可以通过改变θ来改变异步电动机的转矩，进而改变转速。

具体办法就是通过改变电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，使其走走停停，从而使θ不断变化，达到调节电动机转矩的目的。

直接转矩控制具有理论清晰，结构简单，响应迅速，易于实现等优点，缺点是转矩脉动较大。

采用直接转矩控制方式的变频器以ABB公司推出的ACS600、ACS800等系列为代表。

尽管矢量控制与直接转矩控制使异步电动机调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究，如：磁通的准确估计或观测、无速度传感器的控制方法、电机参数的在线辨识、极低转速包括零转速下的电机控制、电压重构与死区补偿策略和多电平逆变器的高性能控制策略等。

3 各种控制方式的联系与区别前面提到的各种控制方式是有内在联系的。

首先，由于在实际控制中要保持定子磁链幅值恒定，由式（2）、（3）知， SPWM、SVPWM、矢量控制和直接转矩控制本质上也都属于变频变压，只不过矢量控制和直接转矩控制是改变电压矢量的幅值和转速来体现变频变压的。

其次，由于各种控制方式无一例外的要通过逆变电路完成对异步电动机的控制，因此，异步电机的调速系统的核心控制算法几乎最终都是通过PWM方式实现，特别在基于DSP的矢量控制和直接转矩控制的异步电动机调速系统中，很多都是最终由SVPWM方式实现[12]，如直接转矩控制系统的SVM-DTC方法。