0前言

雖然直流電動機和交流電動機都已誕生了相當長的時間，但由于直流電動機調速系統(tǒng)較早形成了較為完善的理論和結構，其具有較為優(yōu)良的靜、動態(tài)特性，故在20世紀70年代以前，整個傳動系統(tǒng)基本以直流電動機調速系統(tǒng)為主。但由于結構上的原因，直流電動機存在很多缺點，像要定期更換電刷和換向器，維護困難；容量、電壓、電流和轉速等受到制約等。相比之下，交流電動機就具有很多優(yōu)勢，像造價低：事故率低、容易維護；容量、電壓、電流和轉速不容易像直流電動機那樣受影響。

目前，交流調速系統(tǒng)裝置已經從最初的只用于風機、水泵等地方過渡到各類高精度、快響應的高性能指標的場合。隨著交流電動機調速理論的成熟和完善．交流電動機調速性能差的缺點已經得到了克服，現(xiàn)在交流調速系統(tǒng)正逐步取代直流調速系統(tǒng)。早期，變頻器是根據(jù)異步電動機的等效電路采用恒壓頻比(v／f)或轉差頻率(SF)控制方式，但是這兩種方式是建立在電動機的靜態(tài)數(shù)學模型之上的。其動態(tài)性能不佳。經過不懈的努力。國外學者提出了矢量控制方式(VectorContro1)和直接轉矩控制(DTC)方式，并將其應用到實際之中，取得了非常令人振奮的控制效果。前者參照直流電動機的控制方式，將異步電動機的定子電流空間向量解耦為轉子勵磁分量和轉矩分量，其缺點是要根據(jù)坐標變換以推算轉速信號，于是在此基礎上逐漸又提出了無速度傳感器矢量控制方式，它根據(jù)異步電動機實際運行的相電壓和相電流以及定轉子繞組參數(shù)推算出轉速觀測值，以實現(xiàn)磁場定向的矢量控制：而后者則不采用解耦的思想，借助瞬時空間矢量計算電機的磁鏈和轉矩，并根據(jù)與給定值進行比較的差值，直接實現(xiàn)轉矩和磁鏈控制。除此以外，采用正弦脈寬調制SPWM(SinusoidalPulse．WidthModulation)或空問向量脈寬調制SVPWM(SpaceVectorPulse．WidthModulaion)技術，在輸出端用很簡單的濾波器就可以得到很純正的正弦波。

1控制方案

異步電動機是一個高階、非線性和強耦合的系統(tǒng)。其矢量控制方式是比較復雜的，要確定最佳的控制方式，必須對系統(tǒng)的動靜態(tài)特性進行充分的分析，其最重要的環(huán)節(jié)就是建立合適的數(shù)學模型，而這主要是借助坐標變換來實現(xiàn)的。

對于矢量控制和直接轉矩控制這兩種控制方法，可以從許多方面進行比較，比如控制理論、控制軟硬件實現(xiàn)、主電路以及外圍電路要求等。鑒于實現(xiàn)樣機方式的多樣性，兩種控制方法的試驗比較具有一定的困難性。本文將給出相應的特性曲線，以及簡單的試驗結果描述。選定A公司的矢量控制通用變頻器（15kW，稱為“VC變頻器”）和B公司的直接轉矩控制通用變頻器（15kW，稱為“DTC變頻器”）作為本次試驗樣機異步電動機的矢量控制是以電動機內部的參數(shù)為前提的。但隨著電機運行中負載以及溫度等的變化，轉子的電阻也要發(fā)生變化，這樣將會影響轉子的轉矩，故電機參數(shù)必須進行在線修正，可采用模型參考自適應法，主要是將不含轉子電阻的電壓模型作為參考模型，面將含有轉子電阻的電流模型作為可調模型，兩個模型具有相同的物理意義的輸出量，利用兩個模型輸出量的誤差構成合適的自適應律來實時調節(jié)可調模型的參數(shù)，以達到控制對象的輸出跟蹤參考模型的目的。在試驗原始數(shù)據(jù)測取的過程中，充分考慮了試驗環(huán)境和條件的相同性（比如，環(huán)境溫度、電機起始溫度、錄波儀采樣率等）。

由于某些指標的特殊性和試驗條件限制，這些指標不是一次測取量，是經過其它一次測取的原始

數(shù)據(jù)計算得到。在計算這些指標時，對于兩種控制方法，采用完全相同的計算公式和流程，而且該計

算程序完全對外公開。對計算程序中的某些數(shù)據(jù)處理方法可能會有不同意見，可對計算程序的準確性進行充分的討論。

2硬件連接

正弦脈寬調制技術SPWM已被廣泛應用于逆變器中，可以得到相當接近正弦波的輸出電壓，其缺點是直流電壓利用率低，輸出最大相電壓只有輸入直流電壓的一半，并且其功率器件的開關損耗較大。隨著國外學者在交流電機調速中提出了磁通軌跡控制的思想，提出電壓空間向量(SpaceVector)的概念，空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術也得到了快速的發(fā)展，其直流電壓利用率比SPWM高。

本文以一個25kW的異步電機進行試驗，如圖1所示系統(tǒng)結構示意圖，該平臺是專門針對變頻器――異步電機系統(tǒng)而設計的。

圖1試驗測試系統(tǒng)結構示意圖

本試驗系統(tǒng)的主要設備有：VC和DTC變頻器樣機各一臺（15kW）、3kW三相繞線式異步電機一臺、3kW直流發(fā)電機一臺、功率電阻箱一個、可變直流電壓源二套、錄波儀一臺和配套電壓電流探頭若干。三相工頻380V電源通過調壓器為變頻器供電，變頻器輸出接3kW繞線式異步電機，此電機與一等容量的直流發(fā)電機同軸連接。在試驗測試階段，通過計算機上的適配軟件對變頻器狀態(tài)進行實時控制與監(jiān)視，而試驗所需要的幾組重要的數(shù)據(jù)（Uab、Ucb、Ia、Ic以及變頻器幾個模擬口輸出量）則通過DL750錄波儀從電機機端和變頻器輸出端子直接測取和記錄。這些原始數(shù)據(jù)通過FTP協(xié)議從錄波儀下載計算機，并轉化為文本數(shù)據(jù)文件。最終使用這些文本數(shù)據(jù)文件在Matlab下計算出相應的結果。

在實現(xiàn)機組低速運行時，大負載轉矩是通過在直流發(fā)電機機端順接直流電源來實現(xiàn)的。工頻220V電源通過調壓器接不控整流橋，整流橋輸出并聯(lián)電容產生可調直流電源，該電源通過斷路器的切合來加減機組的負載。直流電源與電流電機機端之間串有電阻負載。

3實驗原理分析

本試驗中，主要通過異步電機的機端測量來獲取電機性能的參數(shù)，以此來得到兩臺變頻器樣機的控制特性。

3.1異步電機坐標變換

為了使試驗分析的數(shù)學模型簡化，由三相坐標到兩相坐標的變化是必需的。在此次試驗的分析中，采用的是靜止兩相坐標系（ab坐標），以避開旋轉變換。變換矩陣為[1]

(1)

利用線電壓與相電壓的關系和公式（1）可以得到ab坐標下異步電機的定子電壓和電流如下：

3.2異步電機電磁轉矩計算

在定子磁鏈計算的基礎上，可以得到異步電機的電磁轉矩表達式如下：

其中，pn是電機極對數(shù)。

3.3異步電機輸入功率計算

對于異步電機，有效輸入功率P1的計算式為

3.4異步電機輸入電壓電流畸變率計算

其中，U1和I1是基波電壓電流有效值，Uk和Ik(k=2,3…)是各電壓電流諧波有效值。

3.5直流發(fā)電機特性分析

對于直流發(fā)電機來說，有以下公式成立：

其中，Ia為發(fā)電機電樞電流，Ea為電樞感應電動勢，If為勵磁電流，T為直流電機電磁轉矩。

當進行低速負載試驗時，由于直流電機負載的特殊性，系統(tǒng)的啟動和停機操作規(guī)程如下：

在系統(tǒng)啟動時，保持整流橋與電阻箱之間的斷路器斷開，合直流勵磁電路；

啟動電機至期望頻率，測量電流電機機端電壓VO以及整流橋輸出VC,保證VC和VO在合理范圍內時，合斷路器；

通過調壓器調節(jié)電容電壓直至負載電流達到一定值，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，記錄電容電壓和電阻兩端的電壓；

當系統(tǒng)停機時，首先降低電容電壓約等于直流電機開路電壓，斷開斷路器，異步電機停機，直流電容放電。

窗函數(shù)的選取

信號處理中的數(shù)據(jù)截斷，就是一個窗函數(shù)的選擇問題。而窗函數(shù)的引入對信號在時域和頻域都有影響。窗函數(shù)的選取總是要求其頻譜的主瓣盡量的窄，邊瓣峰值盡量的小。而在幾種常用的窗函數(shù)中，Hamming窗和Hanning窗具有比較小的邊瓣和較大的衰減速度。在此選用Hamming窗。

本試驗濾波器設計

首先設計數(shù)字低通濾波器，然后利用相減的方法得到高通濾波器，保證在低速時能較好地濾掉磁鏈和電流的直流分量，以利于準確的磁鏈觀測和最終的轉矩計算。

4數(shù)據(jù)處理流程

為了處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和方便，在此次試驗絕大部分數(shù)據(jù)測取過程中，都統(tǒng)一采用錄波儀記錄以下六個測量量，即：異步電機機端的Uab、Ucb、Ia、Ic、變頻器模擬輸出端子AO1、AO2(各自代表實際轉矩、轉矩設定值或者電機轉速)。

此次試驗的數(shù)據(jù)處理分成幾個步驟，簡單描述如下：

將錄波儀記錄的原始數(shù)據(jù)*.HDR和*.WVF通過ftp協(xié)議從錄波儀下載到計算機，并轉化為文本數(shù)據(jù)文件*.CSV，為提高計算速度，將其轉化為*.MAT文件，形成原始數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)對應的試驗情況和采樣率等信息被記錄在清單文件中。

根據(jù)試驗原理中描述的公式對試驗數(shù)據(jù)進行計算，得到各個試驗中的異步電機電磁轉矩曲線。絕大部分試驗數(shù)據(jù)采用同一程序進行計算，該程序的流程圖如圖2所示。

計算結果后處理，主要將各不同試驗得到的曲線進行比較。

圖2計算程序流程圖

5試驗結果和分析

5.1穩(wěn)態(tài)試驗

穩(wěn)態(tài)試驗主要考察兩個變頻器輸出不同頻率時異步電機的穩(wěn)態(tài)運行性能，主要以異步電機電磁轉矩紋波系數(shù)為考察性能指標，變頻器的頻率設定分別為1Hz、5Hz和50Hz，速度反饋分帶碼盤和不帶碼盤兩種情況。在變頻器設定頻率為50Hz時，直流電機負載只使用電阻負載；而在5Hz和1Hz時，直流電機負載為電阻加直流源負載，以提高低速時負載大小。在變頻器設定頻率為50Hz時，同時考察電機輸入側的電流波形和電壓畸變率、異步電機的功率因數(shù)以及異步電機――直流電機系統(tǒng)的效率。

在詳細考察高性能的異步電機矢量控制(VC)和直接轉矩控制(DTC)控制策略時，轉速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是必不可少的。此次試驗采用的是歐姆龍公司的NPN集電極開路輸出，E6C2-CWZ6C型速度碼盤，每轉脈沖數(shù)2000，安裝時有較高的同軸度，從而可以較好的保證速度檢測精度。

相關試驗結果如圖3-5所示。

圖3不同頻率電磁轉矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù)(帶碼盤)

圖4不同頻率下VC電磁轉矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù)

(帶碼盤vs不帶碼盤)

圖5不同頻率下DTC電磁轉矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù)

(帶碼盤vs不帶碼盤)

試驗說明，無論VC還是DTC,不帶碼盤相比較帶碼盤，尤其在低速的情況下，轉速性能都會出現(xiàn)不同程度的惡化，尤其在低于5Hz后，兩者對碼盤的依賴性急劇增加。VC表現(xiàn)的對碼盤的依賴性更突出一些。因此，單就A和B這兩種型號的產品來講，其無速度傳感器的調速性能還不能夠和帶碼盤時的性能相媲美，尤其在極低速的情況下。

6結論

本文是以矢量控制與直接轉矩控制策略比較為核心，從異步電機廣義派克方程分析入手，對比兩種控制策略原理，進行簡單的理論分析，在變頻器－異步電機試驗平臺上進行規(guī)范的試驗。采用FIRDF較好地計算出異步電機定子磁鏈，給出兩種控制策略下異步電機電磁轉矩穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應性能對比，對比結果與理論分析相符。

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