交流异步电动机调速系统控制策略

交流异步电动机调速系统控制策略

刘英敏

齐鲁石化运维中心炼油电气山东淄博255434

摘要：为了提高异步电动机调速系统的精确性，本文主要分析了三种较为成熟的控制策略，同时分析了现代控制理论在交流异步电动机调速系统的应用控制策略的未来发展方向，期望能够推动系统控制策略的不断完善发展。

关键词：交流异步电动机；调速系统；策略；方向

交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置，其主要成分包括定子、转子和气隙。定子绕阻在接通三相交流电之后能够产生磁场，而且还切割了转子，进而获得转矩。交流异步电动机具有结构简单、运行稳定、价格实惠、安装和维护方便等优点，使其得到了广泛的应用。

交流异步电动机常见的调速方法有降压调速、转子串电阻调速和变极对数调速等，其中的变压变频调速的调速范围宽、灵活性较强，应用较为广泛。变压变频调速时的转差功率能够保持稳定，在配以一定的技术后能够保持高性能，能够与直流调速系统想媲美。本文以现代控制理论为基础分析了对异步电动机的变压变频调控策略的分析。

一、基于静态模型的控制策略

对异步电动机的调速的本质在于对电磁转矩的控制。传统的异步电动机交流调速系统以T型稳态等电路建立了数学模型，但对电磁转矩的控制率低。但其也有结构简单、工作场合要求低等特点，在风机和水泵中得到了广泛的应用。

1.对转速开环、恒压频比的控制

对转速开环和恒压频比控制的核心在于对电压和频率的控制，确保电压频率比保持稳定不变的情况下，以改变异步电动机的同步转速进行调速。在这一过程中，当电磁转矩不变时，转差频率不变，负载时的转速不变，通过改变电子电压频率来稳步改变转速。由于转速开环、恒压频比不能控制电磁转矩，其动态性能较差，调速范围也十分有限。

2.转速闭环、转差频率控制

能够控制电磁转矩就能够提高系统的动态性能。在转速开环、恒压频比上进行转速闭环控制，当电压频率陡然增加时，电机转速较为迟疑，造成转差额较大，电机转速提高，进而实现了对转速的控制。

二、基于动态模型的传统控制策略

上述的一种控制策略从稳态的电路出发，在稳态的情况下气隙恒定，动态性较差。要向实现动态性的调速，就要控制异步电动机的磁通和电磁转矩，常见的控制策略是矢量控制、直接转矩控制等。

1.矢量控制

矢量控制起源于感应电机磁场定向控制，并在感应电机定子电压上逐渐形成了矢量控制理论。矢量控制能够将定子电流分解成励磁分量和转矩分量，并在各自控制器的独立控制下实现了控制。矢量控制的关键在于保持转子磁链的恒定，因此就需要随时掌握转子磁链的信号。在初始阶段，人们尝试使用磁链传感器检测转子磁链，但其工艺和技术不太理想，而且转速低时的脉动分量大大超出了平常。当前的矢量控制系统多使用软测量的方法，例如电压、电流信号等。

2.直接转矩控制

矢量控制在理论上实现了磁链和转矩的解耦控制，但其坐标变换和转子磁链的准确性限制了矢量控制范围的准确性。而直接转矩控制系统通过双位控制器控制电磁转矩，选择合适的电压矢量控制电机，转矩响应速度快，稳定性也更高。

三、现代控制策略

传统控制策略会收到电机参数和扰动的影响，因此，现代控制理论与矢量控制、直接控制理论相结合，并且通过设计参数辨识器、观测器等修正模型，提高系统的鲁棒性。

1.滑模变结构控制

滑模变结构控制是通过变革结构控制实现控制，其实质是通过不连续的控制率使其按照要求的轨迹运动，常与矢量控制和直接转矩控制相结合使用。传统的滑模控制器只有滑动到面上时才具备不确定的干扰抑制力，常见的简单的办法是提高增益性使系统能够快速收敛到滑动面，但随之抖动也家具，使系统变得不稳定。全滑模控制具有全程性，在通过滑动模块控制的基础上，需要设计一个非线性的动态滑模来消除滑模控制，使系统具备全过程的鲁棒性，克服了原有的缺点。滑模变结构控制还有另外一个缺点，即当达到滑动后，滑动面向平衡点运动的轨迹难以得到控制，容易产生抖动。

2.自适应控制

由于异步电动机的参数与电机工作状态联系紧密，而矢量控制和直接转矩控制的动态性能也容易受到参数的变化，其自适应控制受到了广泛关注。自适应控制系统中常见的调速系统包括自适应控制和自适应观测器。模型自适应控制器以参考模型的输出为理想输出，以控制被控制对象的动态性和参考模型的动态性一致，其中涉及到的问题有负载转矩的矫正、速度控制器等。为了解决这些问题，需要掌握状态变量，如定子电流、转速等，但还需要定转子磁链自适应观测器，其以磁链为工具，以实际输出量和预估输出量为基准进行矫正，能够实现对转子电阻和转速的有效辨识。另外，还有一种自适应观测器——卡尔曼滤波器，它具有观测和滤波功能，能够消除系统噪音，提高了观测器的精度，使其鲁棒性更强。但交流调速系统以非现行系统为主，人们多以交流调速系统方程建立卡尔曼滤波方程，并加入了参数辨识、转速观测等，使观测器更加简化。

3.模糊控制

在矢量控制系统中，以转速和电流控制器为设计对象均能够将其设计成模糊控制器，进而掌握电极参数的变化和负载扰动的抑制能力。模糊控制常用在直接转矩控制中，更好地实现了定子电阻的控制，有效地实现了对异步电动机定子电阻的检测。

4.神经网络控制

神经网络控制的非线性模型包括神经网络辨识器和神经网络控制器的设计。神经网络能够矫正定、转子电阻，能够有效消除其对转子磁链的影响，提高转子磁链和电磁转矩的准确值。由于转子磁链中包括三相电流和转速的非线性函数，电磁转矩通过转子磁链和转速来表示，因此，电磁转矩就成为了三相电流和转速的非线性函数。因此，应恰当使用神经网络来实现2个非线性函数，得到转子磁链和电磁转矩，保证了电机参数的准确性。

结语

交流异步电动机调速系统较为复杂，传统的控制方法较多，但对电机数学模型的依赖性较大，而且电机参数的变化也较大，不确定性扰动较多，使得这些电机数学模型不太精确。随着现代控制理论的研究和发展，现代控制理论和实践取得了较大的进步，但还需要进一步的研究，例如如何使电机模型更加精确，如何使用非线性控制器提高交流调速系统的性能。

参考文献：

[1]袁淑梅.交流异步电动机调速系统控制策略综述[J].山东工业技术，2016（12）：285.

[2]丁辉，胡协和.交流异步电动机调速系统控制策略综述[J].浙江大学学报（工学版），2011，45（01）：50-58.

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