1 概述

與直流電動(dòng)機(jī)相比，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，但感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制卻比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的多。早期的交流傳動(dòng)均用于不可調(diào)傳動(dòng)，而可調(diào)傳動(dòng)則用直流傳動(dòng)，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流可調(diào)傳動(dòng)的應(yīng)用已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。交流可調(diào)傳動(dòng)的應(yīng)用主要分為三個(gè)方面:
·用于大量的風(fēng)機(jī)、水泵類電機(jī)的調(diào)速，以獲得可觀的節(jié)能效益;
·用于高性能的傳動(dòng)系統(tǒng)，取代直流傳動(dòng)系統(tǒng);
·用于特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。
按照感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率流向，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分:
·一部分是機(jī)械軸上輸出的機(jī)械功率;
·另一部分是與轉(zhuǎn)差s成正比的轉(zhuǎn)差功率。
按轉(zhuǎn)差功率可以把感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類:
(1) 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)
轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低，這類系統(tǒng)的效率較低，且隨著轉(zhuǎn)速的降低而降低，這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，仍具有一定的應(yīng)用價(jià)值，例如降電壓調(diào)速。
(2) 轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)
轉(zhuǎn)差功率的一部分被消耗掉，大部分則通過(guò)變換裝置回饋給電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能予以利用，這類系統(tǒng)的效率比轉(zhuǎn)差功率消耗型高，若轉(zhuǎn)差功率由轉(zhuǎn)子側(cè)送入，則可使轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，此類系統(tǒng)只能用于繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用場(chǎng)合受到一定的限制，設(shè)備成本高于前一種，例如繞線電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速。
(3) 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)
在這類系統(tǒng)中，無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率都為轉(zhuǎn)子銅損，保持不變，因此效率也較高，變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變壓變頻調(diào)速屬于此類。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

其中: s—轉(zhuǎn)差;
f—電源頻率;
—電機(jī)極對(duì)數(shù);
—同步轉(zhuǎn)速。
由式(1)可知，可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)差s或同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)速，轉(zhuǎn)差功率消耗型和轉(zhuǎn)差功率饋送型屬于改變轉(zhuǎn)差的調(diào)速方法，轉(zhuǎn)差功率不變型屬于改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。
電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:

由式(2)可知，通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)控制轉(zhuǎn)速的變化率，進(jìn)而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的目的。因此，轉(zhuǎn)矩控制是電力傳動(dòng)系統(tǒng)的根本問(wèn)題。為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵芯，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)對(duì)磁鏈(或磁通)進(jìn)行控制。因?yàn)楫?dāng)磁鏈(或磁通)很小時(shí)，即使電流很大，實(shí)際轉(zhuǎn)矩仍然很小。何況由于物理?xiàng)l件限定，電流總是有限的。因此，磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要，不可偏廢[1]。

2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型及基于穩(wěn)態(tài)模型的控制方法
2.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理[2]，在下述三個(gè)假定條件下:
·忽略空間和時(shí)間諧波;
· 忽略磁飽和;
·忽略鐵損，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型可以用t型等效電路表示，如圖１所示。

圖1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)t型等效電路

各參數(shù)定義如下: rs、rr′—定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻;
—定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感;
lm—定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感;
us、ω1—定子相電壓和供電角頻率;
is、is′—定子相電流和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流。
忽略勵(lì)磁電流, 得到如圖2所示的簡(jiǎn)化等效電路:

圖2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化等效電路

電流公式可表示為





和最大轉(zhuǎn)矩

恒壓恒頻供電時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖3所示，其中為同步轉(zhuǎn)速。

圖3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒壓恒頻供電時(shí)的機(jī)械特性

2.2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)降壓恒頻調(diào)速
降低供電電壓的幅值，保持電源的頻率不變，一般稱作調(diào)壓調(diào)速，降壓恒頻調(diào)速的特點(diǎn)是同步轉(zhuǎn)速保持不變，每極氣隙磁通φm將隨定子電壓us的降低而減小，最大轉(zhuǎn)矩temax將隨定子電壓us的降低而成平方的減小，臨界靜差保持不變，其機(jī)械特性如圖4所示。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí), 電磁功率隨著轉(zhuǎn)速的降低而增加，而機(jī)械功率卻隨之減小。因此，降壓恒頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速方式。

圖4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)降壓恒頻供電時(shí)的機(jī)械特性

降壓恒頻調(diào)速的缺點(diǎn)是機(jī)械特性變軟，過(guò)載能力差，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速范圍小。降壓恒頻調(diào)速主回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，但性能欠佳。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，降壓恒頻調(diào)速已不作為調(diào)速的主要手段，常用于中、大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)[3]。
2.3 繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速
定子側(cè)供電電源保持額定狀態(tài)，加大轉(zhuǎn)子回路電阻rr′即為繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，其特點(diǎn)是:同步轉(zhuǎn)速和氣隙磁通φm保持不變，最大轉(zhuǎn)矩temax也保持不變，臨界靜差隨著電阻rr′的增加而加大。由式(4)可知，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩相同時(shí)，轉(zhuǎn)子回路電阻與轉(zhuǎn)差之比為常數(shù)，繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的機(jī)械特性如圖5所示。

圖5 繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的機(jī)械特性

轉(zhuǎn)子回路電阻越大，轉(zhuǎn)差功率越大，效率越低，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，可在轉(zhuǎn)子回路串入用功率變換器構(gòu)成的附加電動(dòng)勢(shì)，等值電路如圖6所示，將經(jīng)頻率折算和繞組折算得到定子側(cè)等效附加電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)>0時(shí)，功率變換器將轉(zhuǎn)差功率回饋至電網(wǎng)，這就是低于同步轉(zhuǎn)速的串級(jí)調(diào)速。當(dāng)<0時(shí),轉(zhuǎn)子回路串入的附加電動(dòng)勢(shì)從電網(wǎng)吸取能量注入轉(zhuǎn)子回路,使轉(zhuǎn)差s<0，轉(zhuǎn)速n高于同步轉(zhuǎn)速，這就是高于同步轉(zhuǎn)速的串級(jí)調(diào)速，或稱為超同步串級(jí)調(diào)速。超同步串級(jí)調(diào)速轉(zhuǎn)子回路的功率變換器要求能量可以雙向流動(dòng)，其結(jié)構(gòu)與控制比低于同步轉(zhuǎn)速的串級(jí)調(diào)速?gòu)?fù)雜[3]。
繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的基本特征是:氣隙磁通 φm和同步轉(zhuǎn)速保持不變，理想空載轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)子回路串入的附加電動(dòng)勢(shì)而變化，由圖6等值電路得轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，

圖6 繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電動(dòng)勢(shì)等值電路

圖7為繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速機(jī)械特性，當(dāng)>0時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速<;當(dāng)<0時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速>;當(dāng)=0時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速=。

圖7 繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速機(jī)械特性

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速只能用于繞線型電機(jī)，應(yīng)用場(chǎng)合受到限制，常用于大功率的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)速，隨著中、高壓大功率變頻技術(shù)的發(fā)展，雙饋調(diào)速的應(yīng)用市場(chǎng)正在逐步萎縮。與變頻調(diào)速相比較，雙饋調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是:由于氣隙磁通φm不變，在高于同步轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，允許輸出功率較大，但轉(zhuǎn)子回路承受電壓較高;轉(zhuǎn)子回路功率變換器的容量隨著調(diào)速范圍的減小而降低。
2.4 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速(vvvf)
變壓變頻調(diào)速是改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化，

為了達(dá)到良好的控制效果，常采用電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，分基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。
(1) 基頻以下調(diào)速
以便充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，發(fā)揮電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下采用恒磁通控制方式，要保持φm不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低eg，使
常值 (11)
即采用電動(dòng)勢(shì)頻率比為恒值的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子電阻和漏磁感抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓us≈eg，則得

這是恒壓頻比的控制方式。
低頻時(shí)，us和eg都較小，定子電阻和漏磁感抗壓降所占的份量相對(duì)較大，可以人為地抬高定子相電壓us，以便補(bǔ)償定子壓降，稱作低頻補(bǔ)償或轉(zhuǎn)矩提升。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖8中的b線，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。

圖8 恒壓頻比控制特性

(2) 基頻以上調(diào)速
在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從向上升高，但定子電壓us卻不可能超過(guò)額定電壓，只能保持us=不變，這將使磁通與頻率成反比地下降，使得感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。
把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如圖9所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化而變化。按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定，轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)磁通恒減小，轉(zhuǎn)矩也隨著降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。

圖9 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性

(3) 電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性
基頻以下須采用恒壓頻比控制，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為


由此可見(jiàn)，當(dāng)us/ω1為恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩te，δn基本不變。這就是說(shuō)，在恒壓頻比的條件下改變頻率ω1時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，如圖10所示。將最大轉(zhuǎn)矩改寫為

圖10 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性

可見(jiàn)最大轉(zhuǎn)矩temax是隨著ω1的降低而減小的。頻率很低時(shí), temax很小，電動(dòng)機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷簎s，可以增強(qiáng)帶載能力。
在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，電壓us=不變，機(jī)械特性方程式可寫成

當(dāng)角頻率ω1提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖10所示。由于頻率提高而電壓不變, 氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速卻升高了, 可以認(rèn)為輸出功率基本不變。

圖11 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖11為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，一般稱為通用變頻器，被廣泛應(yīng)用于調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，中、高壓大功率風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的一般多采用這種調(diào)速方法，為了避免突加給定造成的過(guò)流，在頻率給定后設(shè)置了給定積分環(huán)節(jié)。由于轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量小，使用方便，但轉(zhuǎn)速有靜差，低速性能欠佳。

2.5 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)
在負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)下，轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差，采用轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制可有效減小或消除靜差，轉(zhuǎn)差頻率控制就是一種轉(zhuǎn)速閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)。

2.5.1 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念
采用恒eg/ω1控制(即恒φm控制)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為




如果保持氣隙磁通φm不變，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。這就是說(shuō)，控制轉(zhuǎn)差頻率就可以控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。
轉(zhuǎn)差頻率控制的前提是保持φm恒定，那么如何能保持φm恒定？顯然，按恒eg/ω1控制，即可保持φm恒定。由等效電路可得:

由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)恒eg/ω1控制，必須采用定子電流補(bǔ)償控制，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，應(yīng)該既有幅值補(bǔ)償，又需要相位補(bǔ)償，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般僅采用幅值補(bǔ)償，

其中，分別為額定狀態(tài)下定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值和額定電源角頻率。
總結(jié)起來(lái)，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是:
(1) 在的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩te基本上與成正比，條件是氣隙磁通不變。
(2) 在不同的定子電流值時(shí)，需要定子電流補(bǔ)償，以保持氣隙磁通φm恒定。
2.5.2 轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

圖12 轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖12所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出信號(hào)是轉(zhuǎn)差頻率給定，與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)ω相加，即得定子頻率給定信號(hào)，即

為了保證系統(tǒng)工作在的范圍內(nèi)，應(yīng)限制最
頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩。
由給定角頻率和定子電流反饋信號(hào)is構(gòu)成定子電壓給定信號(hào)us*，用us*和控制電壓型pwm逆變器，即得感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速所需的變壓變頻電源。
轉(zhuǎn)差角頻率ωs*與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)ω相加后得到定子頻率給定信號(hào)，這一關(guān)系是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)突出的特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。它表明，在調(diào)速過(guò)程中，實(shí)際頻率ω1隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速ω同步地上升或下降，有如水漲而船高，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。同時(shí)，由于在動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr飽和，系統(tǒng)能用對(duì)應(yīng)于的限幅轉(zhuǎn)tem進(jìn)行控制，保證了在允許條件下的快速性。
然而，它的靜、動(dòng)態(tài)性能還不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平，存在差距的原因有以下幾個(gè)方面:
（1) 在分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時(shí), 是從感應(yīng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的, 所謂的“保持磁通φm恒定”的結(jié)論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立。在動(dòng)態(tài)中φm的變化將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
（2) 僅采用了定子電流幅值的補(bǔ)償, 而沒(méi)有電流的相位補(bǔ)償, 在動(dòng)態(tài)中電流的相位也是影響轉(zhuǎn)矩變化的因素。
（3) 在頻率控制環(huán)節(jié)中, 取ω1=ωs+ω, 使頻率ω1得以與轉(zhuǎn)速ω同步升降, 這本是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點(diǎn)。然而，如果轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)不準(zhǔn)確或存在干擾，也就會(huì)直接給頻率造成誤差，因?yàn)樗羞@些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無(wú)衰減地傳遞到頻率控制信號(hào)上來(lái)了。

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