交流电动机调速系统的研究

交流电动机调速系统的研究内容摘要近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。为了更精确地实现交流异步电动机调速，基于交流异步电动机的数学模型论述异步电动机变压变频调速系统的两种控制策略。论文介绍了3种较成熟的基于动态模型的控制策略，分析现代控制理论在交流异步电动机调速系统中的应用，展望交流调速控制策略的发展方向。传统的控制策略在工业现场中的应用已经较为成熟，各种现代控制策略和先进控制算法则有广阔的发展前景。关键词：交流调速；电机交流变频调速技术；控制策略；发展目录2752内容摘要 IV1绪论1.1课题的背景及意义在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。[1]因此，调速技术一直是研究的热点。长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。[2]采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。20世纪80年代随着以IGBT为代表的新型电力电子器件的发明及不断完善，及以矢量控制为代表的各种交流调速控制理论的深入发展，加上计算机(单片机、数字信号处理器DSP)控制技术迅速发展的配合，使交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。[3]之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。在交流调速技术中，变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。1.2国内外研究和发展动态1.2.1国内外变频调速的发展现状长期以来，我国的传动技术特别是交流调速技术与国外发达国家存在着较大的差距，但自改革开发以来，这一技术得到了迅速的发展，并以极快的速度赶了上来。我国在应用变频调速技术上目前虽说尚处于初级阶段，但其发展速度逐年增长较快，国家已将该项技术列为“八五”重点攻关和推广项目。这将加快交流调速在我国的普及应用。目前国内变频调速技术产业状况如下：（1）变频器的控制策略的基础研究与国外差距不大；（2）变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力、但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；（3）变频器产品所用的半导体功率器件的制造业几乎是空白；（4）相关配套产业及行业落后；（5）产销量少，可靠性及工艺水平不高。

交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。国外在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用上远远走在我们前面，已有更高级别的高压逆变器产品大量投入市场，并应用于电力机车、船舰电力推进、轧钢、造纸及供水等系统中，交流电机变频调速技术及其产品已成为一些工业发达国家的先导产业。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例，1975年在调速领域，直流占80%，交流占20%;1985年交流占80%，直流占20%。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外，几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。发达国家依靠他们强大的科技实力把变频技术推向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展。1.2.2变频调速的发展方向随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制，这样最新研发出来的数字芯片不断的被用到调速系统之中。各种总线在实现数字化控制过程中也扮演了相当重要的角色。[5]STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。1.3本文的主要内容本文主要对交流电动机调速系统进行研究。全文共分为五章，各章内容简介如下：第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；第二章介绍了交流电动机的调速方式、调速技术的发展及调速特点；第三章介绍了现代交流调速系统的三种类型；第四章讲述了交流调速系统的两种控制策略；本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。2交流电动机的调速2.1交流变频调速技术的发展交流电动机的调速系统是一项以大功率电力电子器件为基础的新型技术学科在过去的十几年间由于大功率电力电子器件的不断出现，使交流电动机的调速技术取得了很大的发展。在六十年代以后，交流调速系统采用半导体变流技术，尤其使七十年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件，交流伺服控制是自动化领域中刚刚发展起来的新分支，交流伺服系统将广泛取代目前直流伺服系统这一观念已经被越来越多的人所接受，在数控机床及机器人等高精尖设备系统中，以往一直使用直流电机，因为调节直流电机的电枢电压或电流就可以方便的获得优良的调速特性。在过去的几十年里，世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高.工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置，用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。[6]50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度.然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法.一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性.然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求.用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等.这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应.以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC.DC变换器.然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。2.1.1交流电机交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。[7]交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。2.1.2直流电机输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。2.1.3交流电机与直流电机对比在应用系统中使用交流电机具有更大的吸引力，这是由于交流电机与直流电机相比有一系列优点:（1）交流电机不存在换向器圆周调速限制，也不存在电枢元件中电抗电势数值限制，其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高。[8]（2）直流电机在高速范围运行时，也是由于电抗电势数值限制，其输出功率严重下降，而交流电机高速时仍能输出较大的功率，几乎可以以稳定功率运行。（3）结构简单，没有相电刷、换向器那种复杂、精密得部件，因而降低制造成本。（4）交流电动机没有需要经常保养得部件，在安装地位受到限制、不易接近得场合也能使用，在恶劣环境下、在不允许有火花得环境下也能可靠得工作。经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动.2.2交流电机的调速方式按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式:（2.1）式中：——电动机的转速；——电动机的电源频率；——电动机的同步转速；——转差率；——极对数。由式（2.1）可知，若要实现转速的调速，只需调节、和三个变量。根据改变电机的不同参数，有以下三种调速措施：1.改变电机的转差率该调节方式有着简单的系统结构，在某些场合得到应用。例如电机的转子串电阻调速和串极调速都属于通过改变电机的转差率来进行调速。2.改变电机的磁极对数其应用的广泛程度受到限制，主要原因是调速方式的影响，其采用的是有级调速的方法。3.改变电机的电源频率该调节方式应用最为广泛，效率也最高，能够构成高性能的动态交流调速系统，相比较而言是发展前途最大的调节方法。电动机制造完成，转差率和磁极对数就确定了，而转速与频率之间有着线性关系，因此在理论上该调节方式的调速范围可达到100%。由于这些优点变频调速方法在改造工程中得到广泛采用。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的一种理想的高效率、高性能的调速手段。其作用是通过改变电源频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。交流电机的调速方式对比见表2.1。表2.1交流电机的调速方式比较调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速，系统简单，最多4段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大出力能力下降，效率低系统简单，性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大出力能力不变，效率高系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）见表2.2。表2.2变频调速的优点序号优点1平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度3无级调速，调速精度大大提高4电机正反向无需通过接触器切换5非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制2.3变频调速系统变频调速系统可分为两大类:1.交-直-交变频调速先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。按变频电路最后一级变换器的电源特性又可分为电压型(电容器滤波)和电流型(电感滤波)两种。目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM交-直-交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。[9]随着电力电子技术的发展，目前已有多种把电压源的能量回馈到电网的方案，且已经开始批量上市。因此，回馈制动及四象限运行的问题不久也会得到很好的解决。它是异步电动机交-直-交变频调速的主流。2.交-交变频调速把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低、造价较高。但它能够提供比较逼近正弦的交流电流，可以四象限运行，主要适用于低速大容量的交流调速设备中，变频器的输出功率一般不超过电源频率的1/3，主开关元件采用晶闸管，依靠电源电压自然换流。2.4交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。[10]因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。

随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。

3现代交流调速系统的类型现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。如图3.1所示。电力电子功率变换器、控制器、电量检测器集中于一体，称为变频器(变频调速装置)。图3.1交流调速系统的组成交流电机的不同，繁衍出不同的交流调速系统。因此现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。目前较常用的有三种方案，它们是异步电动机交流调速系统、开关磁阻电动机交流调速系统和永磁同步电动机交流调速系统。3.1异步电动机交流调速系统由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分:一部分Pd=(1-s)Pm是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率Ps=sPm，与转差率s成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可以把现代异步电动机调速系统分为三类:(1)转差功率消耗型调速系统，(2)转差功率回馈型调速系统，(3)转差功率不变型调速系统。3.2开关磁阻电动机交流调速系统开关磁阻电动机交流调速系统是由开关磁阻电动机、功率变换器、控制装置、角位移传感器和推动电路五部分安装在一起的一种新型机电一体化调速装置(见图2)，它的效率在很宽的调速范围内可大于87%以上，电机结构十分独特，转子上无绕组或永磁体定子为集中绕组，其线圈安装容易，端部短而牢固，比传统的直流电动机、同步电动机和异步电动机都简单，制造和维修十分方便。同时，开关磁阻电动机控制方便，可以四象限运行，具有结构简单、体积小、重量轻、工作可靠、控制方便的优点，其性能和经济指标优于普通的异步电动机交流调速系统。图3.2SRD的组成3.3同步电动机调速系统由同步电动机转速公式可知，同步电动机的调速只能通过改变频率实现。根据频率控制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类，(1)他控式同步电动机调速系统:如永磁同步电动机、磁阻同步电动机；(2)自控式同步电动机调速系统:如负载换向自控式同步电动机调速系统(无换向器电机)、交-交变频供电的同步电动机调速系统。

4交流调速系统控制策略4.1基于动态模型的传统控制策略矢量控制和直接转矩控制是当今最成熟的基于交流电机动态数学模型的控制策略，在交流调速领域中已经获得广泛应用。反馈线性化解耦控制由于实现了磁链和速度的完全解耦控制，得到了快速发展和应用。4.1.1矢量控制矢量调节的核心思路是把定子电流分解成励磁分量和转矩分量，分别设计调节器，矢量控制系统能够成功的关键是实现转子磁链不变，因此应该检测转子磁链信号。[11]之前我们尝试根据磁链传感器来测得转子磁链，可是存在大量工艺和技术上的难题，并且在低速时转子磁链测量获得的脉动分量太大。在现代的矢量控制中广泛使用软测量的工具，根据检测电压、电流和转速信号来基于转子磁链模型得到磁链的幅值以及相位。

4.1.2直接转矩控制直接转矩控制是基于静止坐标系下来进行控制的，在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速（在无速度传感器DTC中不需要测速）进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这两个信号输入优化矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。

4.1.3反馈线性化解耦控制矢量控制和直接转矩控制均需要维持磁链恒定，否则存在非线性耦合，反馈线性化解耦控制能够在磁链变化的情况下实现转速和磁链的精确动态解耦。反馈线性化控制通过非线性状态反馈和非线性变换实现系统的动态解耦和全局线性化，分为微分几何反馈线性化和直接反馈线性化。微分几何反馈线性化方法通过引入微分几何中李导数的概念来选择一个可逆的数学变换，经过变换后得到在新的参考坐标系下的系统状态方程，再经过状态反馈可以得到输入－输出解耦的线性化系统。而直接反馈线性化相当于对状态变量作坐标变换，使原系统的输出及各阶导数成为新的状态变量，再应用状态反馈使系统解耦成转矩子系统和磁链子系统。对于异步电动机而言，在静止两相坐标系下，选取定子电流、转子磁链和电机角速度作为状态变量，输入为两相定子电压，输出为转速和定子磁链幅值的平方。根据坐标变换的选取原则，在选取新的状态变量之后进行状态反馈，可以实现对控制系统的解耦控制。直接反馈线性化解耦控制基于动态状态反馈，系统各变量物理意义明确，用到的数学知识简单，但是由于需要考虑零动态问题，限制了它在工程中的应用。4.2现代控制策略4.3.1滑模变结构控制传统滑模控制器只在系统相轨迹运行到滑动面上时才具有对不确定干扰的抑制能力，而当运行到滑动面之前仍然受到不确定干扰的影响。一种简单的解决办法是通过提高增益来使系统迅速收敛到滑动面，但是同时增大了抖动，甚至在高频时使系统不稳定。全滑模控制是一种具有全程滑动模态的变结构控制器，在保证滑模控制稳定性的基础上通过设计一个非线性的动态滑模面来消除滑模控制中达到滑动面之前的过渡过程，使系统在响应的全过程中具有鲁棒性，克服了在传统变结构控制中系统运行到滑动面之前不具有鲁棒性的缺点。滑模变结构控制的另一个缺点是在状态轨迹到达滑动面后，难以严格地沿着滑动面向平衡点运动，而是在滑动面两侧来回穿越，从而不可避免地产生抖动。刘金琨等研究解决滑模变结构控制的抖动消除问题，提出很多解决方法。4.3.2自适应控制异步电动机的数学模型虽有确定的形式，但其中的参数如定转子电阻和电感与电机的工作状态密切相关，而矢量控制和直接转矩控制的动态性能受参数变化影响较大，因此自适应控制在交流调速系统的研究中得到广泛关注。自适应控制理论在交流调速系统中的典型应用有模型参考自适应控制（MRAC）和自适应观测器。模型参考自适应控制系统将参考模型的输出作为控制系统的理想输出（理想控制性能），控制的最终目标是使被控对象的动态性能与参考模型的动态性能一致。最简单的模型参考自适应控制系统由参考模型、可调系统模型和自适应律组成。目前基于模型参考自适应控制的交流调速系统定转子电阻的校正、负载转矩的校正以及速度控制器的研究已十分普遍。模型参考自适应控制系统实现的关键在于参考模型的选择和自适应律的设计。当选择不同的输出量作为判定参考量时，参考模型的选择不同。自适应律是实现在线校正可调系统模型时变参数的关键，通常依据局部参数优化、李亚普诺夫稳定判据和波波夫超稳定性理论来设计。为了解决在交流调速系统中某些状态（如定转子磁链、转矩和无速度传感器时的电机速度）不可直接测量的问题，由系统可测状态和参数重构的自适应观测器近年来得到较快发展。在交流调速控制系统中，需要测量的状态变量一般有定子电流、定转子磁链和转速，但是在一般的控制系统中定子电流和转速可以直接测量，因此只需要设计定转子磁链自适应观测器。采用磁链自适应观测器的优势是可以设计自适应律，根据实际输出量和预估输出量对磁链观测模型进行校正，得到更准确的磁链观测值。若将观测模型作为可调系统模型，选择合适的参考模型，则根据模型参考自适应控制可以实现定转子电阻和转速的在线辨识，为无速度传感器控制的发展提供了思路。4.3.3模糊控制模糊控制理论可以用于设计参数辨识器和模糊控制器．在矢量控制系统中，转速和电流控制器均可以设计成模糊控制器，从而提高系统对电机参数变化和负载扰动的抑制能力。模糊控制在直接转矩控制系统中的应用更普遍，由于直接转矩控制定子磁链的检测与定子电阻相关，当低速时定子电阻的变化对定子磁链影响较大，采用模糊辨识器可以实现对异步电动机定子电阻的估算。传统的直接转矩控制系统，由于采用磁链和转矩的双位式控制无法分辨磁链和转矩的误差，当控制系统刚启动或者改变磁链和转矩参考值时会导致系统响应缓慢．将磁链位置、磁链误差和转矩误差作为模糊变量，通过模糊控制规则选择合适的电压矢量可以得到更好的控制效果。结合SVPWM技术的模糊直接转矩控制系统既抑制了转矩脉动，又提高了系统抗干扰能力。4.3.4神经网络控制人工神经网络在交流调速控制系统中的应用包括神经网络辨识器和神经网络控制器的设计。通过神经网络在线校正定、转子电阻，可以基本消除它们对转子磁链和电磁转矩的扰动影响，从而得到比较准确的转子磁链和电磁转矩估算值。由于转子磁链可以表示成三相电流和转速的非线性函数，电磁转矩可以用转子磁链和转速来表示，因此电磁转矩可以转换成三相电流和转速的非线性函数。若训练合适的神经网络来逼近这2个非线性函数，则可以得到转子磁链和电磁转矩，从而避免了