DQZHAN技術(shù)訊：交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究

近年來，隨著能源日益減少，新型節(jié)電設(shè)備的不斷更新和科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，合理化的設(shè)計(jì)和節(jié)電設(shè)備的日益廣泛應(yīng)用，給人們工作和生活帶來了更多的方便。

1　交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.1　交流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)速

早期用原動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，而通過控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，借此來調(diào)節(jié)被驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)有功功率輸出，還可以關(guān)閉和起動(dòng)電機(jī)。

1.2　電流電動(dòng)機(jī)可控整流調(diào)速

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，發(fā)明了通過晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來控制電壓（可控整流技術(shù)）。首先是調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度得到了很大提高，并且很好地解決了低速情況下的電流斷續(xù)問題?？煽毓枵{(diào)速是用改變可控硅導(dǎo)通角的方法來改變電動(dòng)機(jī)端電壓的波形，從而改變電動(dòng)機(jī)端電壓的有效值，達(dá)到調(diào)速的目的。

1.3　內(nèi)容摘要

1.3.1　變頻調(diào)速方法

變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要通過變頻器進(jìn)行，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交流－直流－交流變頻器。

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)），通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

1.3.2　變極對數(shù)調(diào)速方法

這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，本方法適用于不需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。

變頻器調(diào)速的特點(diǎn)是平穩(wěn)、可根據(jù)需要調(diào)節(jié)速度，是未來交流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。

2　交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方案論證

2.1　單片機(jī)調(diào)速

隨著全球范圍的數(shù)字化控制系統(tǒng)的發(fā)展，人們對數(shù)字化信息的依賴程度也越來越高。實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)全數(shù)字化控制不僅能使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，而且可以提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的功能。

由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜。擴(kuò)展卡、濾波器、FFT、狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等均應(yīng)用到了各種交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中。因此，DSP芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到施展身手的舞臺(tái)。在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當(dāng)中，各種總線也扮演了相當(dāng)重要的角色。STD總線、工業(yè)PC總線、現(xiàn)場總線以及CAN總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。

2.2　PWM調(diào)速

PWM控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，它可以完成任何控制算法的*終實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于PWM控制方案已經(jīng)在各領(lǐng)域有了多個(gè)版本的應(yīng)用，尤其是微處理器技術(shù)應(yīng)用在PWM技術(shù)之后，總是不斷有新的技術(shù)更新，從開始追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從*初效率*大化、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)少到后來的以消除噪音為主攻課題，這些都是PWM控制技術(shù)的不斷升級(jí)和完善。目前，越來越多的新方案不斷地被提出和應(yīng)用，說明這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用空間十分廣泛。其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。V/f恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。

異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)模型就可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，從而可像直流電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制即矢量控制。

3　交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

綜合設(shè)備除了計(jì)算機(jī)外，其他設(shè)備的傳動(dòng)、機(jī)床、機(jī)器人和自動(dòng)裝置的傳動(dòng)、電動(dòng)汽車以及火車傳動(dòng)等，都離不開調(diào)速系統(tǒng)。經(jīng)過漫長的發(fā)展，交流調(diào)速電氣傳動(dòng)已上升為電氣調(diào)速的主導(dǎo)潮流，一步一步取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速傳動(dòng)。

變頻器對變換的逆變電源成為變頻電源的形式，主要是利用了電機(jī)調(diào)速用的變頻調(diào)速器，從而使普通的交流穩(wěn)壓電源形式得到變化的效果，所以對變頻電源的主要功能是將現(xiàn)有的交流電網(wǎng)電源變換成所需要頻率的穩(wěn)定的純凈的正弦波電源的效果，理想的交流電源的特點(diǎn)是頻率的穩(wěn)定。異步電動(dòng)機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸連接，通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確控制發(fā)電機(jī)輸出電流的頻率大小，而同步發(fā)電機(jī)輸出電壓幅值E與磁通Φ有關(guān)，因此調(diào)節(jié)勵(lì)磁單元所提供的勵(lì)磁電流即可以控制發(fā)電機(jī)輸出電壓的幅值，*終達(dá)到電壓、頻率分別可調(diào)，波形為正弦波。

PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它可以給變頻器輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；可以按照擬定的控制策略給出勵(lì)磁單元控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與發(fā)電機(jī)同步電頻可調(diào)。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)變頻電源輸出頻率、幅值的連續(xù)可調(diào)。同時(shí)，與觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，為觸摸屏的顯示提供數(shù)據(jù)，并對于觸摸屏輸入的信息進(jìn)行處理等，更加人性化。

變頻恒壓供水節(jié)制系統(tǒng)通過測到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)變頻器的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。變頻器的頻率超限信號(hào)（一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號(hào)）可適時(shí)報(bào)信PLC舉行變頻泵邏輯切換。為防止水錘征象的孕育發(fā)生，泵的啟停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門。

假定系統(tǒng)由四臺(tái)水泵、一臺(tái)變頻器、一臺(tái)PLC和一個(gè)壓力變送器及若干輔助器件構(gòu)成。安裝于供水管道上的壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成0～5V或4～20mA的電信號(hào)；變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速；PLC用于邏輯切換。如果1#水泵到50Hz但實(shí)際值沒達(dá)到設(shè)定值時(shí)，1#水泵轉(zhuǎn)到工頻，約10秒后，變頻器帶2#水泵加速，如果還沒達(dá)到設(shè)定值時(shí)，2#水泵轉(zhuǎn)到工頻，約10秒后變頻器帶3#水泵加速，加到某一頻率值，實(shí)際值得到設(shè)定值時(shí)，變頻器開始減速到0Hz后，1#工頻泵停機(jī)，2#工頻泵停機(jī)，保持實(shí)際值不變，夜間用水量較少時(shí)，管網(wǎng)中剩一臺(tái)變頻泵而且頻率下降到約35Hz，實(shí)際值≥設(shè)定值時(shí)，約2分鐘后，小泵開始啟動(dòng)，到P2（小泵上限壓力）值時(shí)小泵停機(jī)，這時(shí)水泵全部休息，管網(wǎng)壓力由氣壓罐供水狀態(tài)，P2值下降到小泵啟動(dòng)壓力值時(shí)P1小泵啟動(dòng)，用水量較少時(shí)壓力到P2時(shí)停機(jī)，如果用水量較多時(shí)，小泵啟動(dòng)，而Hz值低于P1值時(shí)，變頻器開始帶大泵加速到35Hz時(shí)，把小泵甩開。如此循環(huán)往復(fù)工作，大大節(jié)約了日趨緊張的用電。

此外，上面所說的系統(tǒng)還配備了外圍輔助電路，以保障自己主動(dòng)節(jié)制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過人工調(diào)節(jié)體式格局維持系統(tǒng)運(yùn)行，包管連續(xù)生產(chǎn)，使整套系統(tǒng)正常運(yùn)行。