交流异步电机控制技术发展综述.pdf

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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：

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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77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，徐州市）TheSummaryofAsynchronousMotorControlMethodsFUYong-Kang（ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,JiangsuProvince,China）ABSTRACT:

ACinductionmotorsarethemostfrequentlyusedtoinoureverydaylifemotor,itiswidelyusedinvariousoccasionsfactories,coalmines,automobiles,householdappliances,ships,weapons,etc.,togiveourlivestoprovideagreatconvenience.Initsuseoftheprocess,ACinductionmotorcontroltechnologyaredevelopingrapidly,fromthetraditionalfrequencycontrolsystem,bycontrollingtheamplitudeandfrequencyofthestatorvoltagetocontroltheelectromagnetictorqueoutputtothevectorcontroltechnologyanddirectTorqueControltechnology,throughtheasynchronousmotormathematicalequationsdecoupling,andthustheasynchronousmotorexcitationcurrentandthetorquecurrentarecontrolledseparately,sothattheinductionmotorcanbecontrolledlikeaDCmotorastodramaticallyimprovethedynamicACmotorsperformanceandscope.KEYWORDS:

Asynchronousmotor；Vectorcontrol；Directtorquecontrol；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00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。

11.1.1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:

UE=4.44Kf其中U和E为电压,K为电动机的一个特定常数,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Tc=Tcmax=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。

22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、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。

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=CTmIrCOS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