王曉洋，馬 浩

（西寧特殊剛股份有限公司，青海西寧 810003）

交流電動機是一種換能設備，主要作用是將交流電轉換為機械能，機械能可驅動其他設備，代替人工完成相關動作，有助于提高相關領域的生產效率，因此交流電動機在現(xiàn)代早已普及。交流電動機的換能過程是否穩(wěn)定、換能結果質量是否達標，取決于換能期間的電氣傳動環(huán)節(jié)，若該環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，就會對換能過程與換能結果質量造成負面影響，間接導致生產也受到影響。故為了避免相關問題發(fā)生，需要對交流電動機電氣傳動過程進行控制。而為了實現(xiàn)有效控制，保障控制質量，就要了解相關控制技術，以便正確選型，因此有必要展開相關研究。

1 交流電動機基本情況及電氣傳動常見方式

1.1 基本情況

交流電動機內部有一個能產生磁場的電磁鐵繞組（一般為電磁鐵繞組，小部分電動機會選擇分布式定子繞組）、一個旋轉電樞（或轉子），運行中電動機內部通電線圈將在磁場作用下受力而發(fā)生轉動，由此開始換能。

根據換能模式，交流電動機可以分為兩類，分別為同步交流電動機和感應電動機。兩者的共同之處是磁場產生方式，即兩者均依靠定子側繞組通入交流電來產生磁場，不同之處在于前者的轉子繞組需要在激磁機提供的直流電作用下才能運作，然后產生磁場，后者則無需激磁機幫助，且轉子繞組不需要通入電流。

目前比較常見的交流電動機是三相電動機（同步或感應電動機都可以是三相式），這種電動機的定子繞組一般是由3個相互獨立的120°線圈組成，通入電流之后每個線圈中都會產生磁場，3個磁場合而為一就形成了旋轉磁場，電流每一次全振動的時間與旋轉電場的旋轉速率相同，也就是說每次全振動結束時磁場正好完成一周旋轉，其中旋轉磁場的轉速為60 r/min。

另外，兩種交流電動機中的同步電動機具有轉子轉速、磁場轉速相同的特點，這一點不會因為負載大小而變化，這種電動機也因此而得名，但具體轉速的大小取決于電源頻率。與之相反，感應電動機也被稱為異步電動機，顧名思義，其轉子轉速、磁場轉速并不相同，存在差異，具體取決于負載與電源電壓大小。

1.2 電氣傳動常見方式

電氣傳動是交流電動機運作過程中將電能轉化為機械能后，利用機械能帶動其他機械設備發(fā)生動作的一種動力移動方式，其不僅能夠給其他機械設備提供動力，還能對電動機輸出軸的轉矩、角加速度、轉速、角位移及其他機械設備的起動、運行、變速、制動等進行控制。

交流電動機的電氣傳動方式被稱為交流傳動，這種傳動一般需要在50 Hz 交流電源基礎上進行（特殊情況除外），電源一般為高效靜止變流裝置。具體傳動方式有3種，內容如下。

（1）成組傳動。主要利用皮帶輪和皮帶的組合來進行傳動，即將交流電動機作為原動機，利用皮帶輪與皮帶組合與其他機械設備組合來實現(xiàn)傳動。成組傳動是最傳統(tǒng)的傳動方式，雖然原理簡單、實施便捷，但存在效率低、勞動條件差的缺陷，且一旦在傳動過程中電動機發(fā)生故障，那么就會出現(xiàn)整組停運的問題，因此這種傳動方式已不是很常見，只能在一些小型工坊中看到。

（2）單電動機傳動。是一種使用單臺交流電動機帶動單臺其他機械設備的傳動方式，具有動力傳遞裝置損耗小、安裝便捷、容易布置等優(yōu)點。但這種傳動方式并不建議在大型組織中使用，原因在于大型組織中很多機械設備的控制邏輯比較復雜，而單臺電動機只能對某個機械設備進行整體驅動，說明這種傳動方式無法用于復雜機械運作。

（3）多電動機傳動。這種方式專門針對復雜機械，即復雜機械大多具有多根轉軸，這些轉軸本身具有一定的獨立性，能夠采用不同的轉速分開運作，而不同轉軸的轉速取決于電動機，故設置多臺電動機，對不同轉軸進行驅動，通過對相關電動機電氣傳動過程進行控制，能夠間接調整不同轉軸轉速，實現(xiàn)分開運作。多電動機傳動的出現(xiàn)使得電氣自動化水平大幅提升，因此這種方式在現(xiàn)代生產活動中非常普及。

2 電氣傳動控制技術

2.1 變頻器控制

變頻器控制技術的核心設備為變頻器，該設備的主要功能就是調節(jié)交流電動機的電源頻率，因此結合上述的論述可以看出，這種控制技術比較適用于同步交流電動機的電氣傳動控制當中。可用于交流電動機電氣傳動控制中的變頻器類型繁多，但當前主要使用的有兩種。①電流型逆變器。這種變頻器的特點是對電流進行直接控制，操作方式比較簡便，但是在控制能力上相對較弱，同時結構復雜，缺乏便捷性，不利于安裝。應用中還需要通過其他主電路對電流型逆變器本身進行控制，因此大多數情況下并不建議使用電流型逆變器。②電壓型逆變器。這種變頻器最為常見，原因在于電壓型逆變器的結構比較簡潔，控制能力較強，也不需要主電路進行額外控制，因此電壓型逆變器得到了人們更多的青睞。兩種變頻器在對改變轉向或加速的機械系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為突出，具有很強的穩(wěn)定性，但相比之下，前者一般只能用于具有一定再生能力的機械系統(tǒng)中，而后者除了能夠應用在這種系統(tǒng)以外，也能應用到高性能系統(tǒng)中。

因為電壓型逆變器使用較多，所以以電壓型逆變器為例進行分析。這種變頻器的主要原理是利用直流電壓進行固定控制，然后利用脈沖寬度對逆變器進行控制，即變頻器上有專門控制脈沖寬度的開關，依靠開關可以對脈沖寬度進行切換式控制。值得一提的是，早期電壓型逆變器的脈沖寬度控制選擇比較少，基本上只有“大”和“小”等個別集中選擇，但隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代一些先進的電壓型逆變器脈沖寬度控制都具有參數化特征，結合旋鈕開關提供控制選擇，因此建議采用先進型電壓型逆變器，這對電氣傳動質量也有很好的幫助，能讓人們根據實際需求來設定控制方案與參數標準。脈沖寬度控制的優(yōu)勢在于限制噪聲，即相比于其他電壓型逆變器控制手段，脈沖寬度控制所產生的高次諧波比較小，因此能夠大幅限制噪聲形成，而交流電動機的轉矩脈動也因此能達到理想水平，使得電氣傳動中的電壓利用率最大化。

以工業(yè)生產為例，脈沖寬度控制的要點在于建立脈沖模型，依靠脈沖模型能夠對交流電動機的每個相位進行分析，可得到各相位準確的電壓數據，這樣就能對模型參數進行科學設置，結合控制軟件即可自動對脈沖寬度進行控制，間接使得電氣傳動可控制。關于脈沖模型的建設，其涉及到一個關鍵技術，即正弦波近似三角波比較法，該方法能夠讓三相電壓的指令值與輸出電壓數字對等，這樣就能利用三角波的大小數值對電壓進行分析，得到標準控制參數，操作開關即可保障控制成果的準確性?？刂七^程中輸出電壓波型在磁場一周內的指令值與均值之間有一定的比例關系，根據這層關系也能獲得電動機輸入電壓的標準值，同步結合三角波頻率能做到持續(xù)性調節(jié)。使用脈沖寬度方法對電動機電氣傳動進行控制時，要考慮到電動機的性能，若電動機具有較高的感應性能，那么就要在控制過程中做好檢測、瞬態(tài)性能分析，并根據結果正確選擇控制硬件，以免發(fā)生誤動。另外，脈沖寬度控制方法并不是完美無缺的，事實上相比于其他同類控制方法，該方法的頻率控制、電壓控制精度上限不高，但一般情況下電氣傳動的控制精度要求并不會超過這個上限，但如果情況特殊則要采取其他控制方法。

2.2 控制器控制

為了對交流電動機電氣傳動進行控制，相關領域長期致力于控制技術的研究，經過多年的開發(fā)給出了很多種控制技術，其中控制器控制技術是較具代表性的一項。控制器控制技術的核心設備是專用控制器，是一種專門針對電動機電氣傳動開發(fā)出來的控制設備。具體類型與電動機類型對應，即市面上有專門用于同步電動機的控制器，也有專門用于感應或其他異步電動機的控制器，因此該項技術的使用要點之一就是科學選擇控制器。

無論選擇何種控制器，其控制原理都十分相似，即控制器控制當中，工作人員可借助控制器對電動機電氣傳動的磁場旋轉形式進行控制，實現(xiàn)轉速閉環(huán)，因此控制器控制技術也被成為“轉速閉環(huán)控制法”。主要原理是在電流的作用力下得到較大的電磁轉矩，通過轉矩讓系統(tǒng)運作速度加快，故依靠控制器對電流大小進行控制，調節(jié)其作用力，以改變轉矩大小，控制系統(tǒng)運作速度，而速度的變化就代表電氣傳動得到了控制。

控制器控制的關鍵技術為解耦控制，該項技術主要針對的是電動機的矢量與轉矩，與其他關鍵技術相比，這種技術能夠在電氣傳動中起到主導性作用，因此控制效果良好。關于解耦控制技術的具體實施方法，首先要對電動機基礎速度進行檢測，然后先對磁鏈（三相電動機中各相位磁場之間的連接）進行參數化控制，促使磁鏈保持恒定狀態(tài)，其次對電動機的電子電流或者是電樞電流的轉距分量進行控制，這樣依照轉矩→轉速→電氣傳動的流程來達成控制目的。另外，結合電動機基礎速度，在速度之上要采取弱磁控制設備進行“除法”調節(jié)，即任何電動機在運作當中都會產生乘法效應，這種效應對于電氣傳動有不利影響，會導致磁場過強，因此除法調節(jié)的目的就是弱化磁場，抵消乘法效應影響，使得電氣傳動保持穩(wěn)定，也實現(xiàn)磁鏈與轉矩解耦目的，完成后則應當依照轉矩模型來計算動態(tài)轉矩值，實現(xiàn)轉速閉環(huán)，對電氣傳動進行過程化動態(tài)控制。

2.3 微機轉矩控制

微機轉矩控制是近些年提出的電動機電氣傳動控制技術，相比于其他控制技術其比較復雜，但控制效果很好，故現(xiàn)已開始在相關領域中得到推廣。目前，微機轉矩控制在實際應用中主要有兩種形式，具體如下。

（1）高性能同步電動機控制形式。該形式專門針對高性能同步電動機的電氣傳動，相關領域對此開發(fā)出了微機轉矩控制器。其原理是依靠控制器設定電氣傳動速率標準區(qū)間，然后對電動機電氣傳動速率進行監(jiān)督，當傳動速率的誤差值超出標準期間的上限或下限時，就能得到與電動機預期值有一定比例關系的數值，按照這個數值對電源頻率進行控制，能夠對速率進行上下調節(jié)，使得電氣傳動得到控制，整體趨于穩(wěn)定。在這個過程中，電流磁通與轉矩之間是正相關關系，故能夠將轉矩的參數值與磁通進行對比，可得到傳動電流參數值，依照該參數值能夠對傳動速率進行判斷，即如果參數值恒定，代表磁通處于恒定狀態(tài)，這種狀態(tài)下代表傳動速度并未達到額定標準，反之則說明傳動速度高于額定標準，這時人們就能正確地設定控制策略。另外，這種控制方法一般需要配合嵌套反饋環(huán)來使用，而嵌套反饋環(huán)的運作速度必須比所有外環(huán)高。

（2）感應電動機控制形式。是一種專門針對感應電動機電氣傳動開發(fā)出的控制技術，這種技術形式沒有控制器，因此需要直接通過微機來進行控制，控制目標是電動機的轉矩。感應電動機主要由各種逆變器組成，這使得其電源模式非純正弦，由此對其進行調速控制時很容易打破氣隙磁通原本的恒定狀態(tài)，而依靠微機對轉矩進行控制能夠解決這一問題，即微機控制下人們能夠對主磁通進行跟蹤式的監(jiān)督，當發(fā)現(xiàn)主磁通速度處于非恒定狀態(tài)，那么就可以根據差值輸入參數，然后輸出帶參數指令，讓主磁通速度回到恒定狀態(tài)。感應電動機微機控制的關鍵點在于平滑圓周，即電動機電氣傳動中會出現(xiàn)平滑圓周，其類似于多邊形，存在很多角，而角越多就代表平滑圓周越接近圓形。按照這一理論，相關人員可以在微機上設置等十二邊形（一般建議選擇等十二邊形，特殊情況另外選擇），在該形狀基礎上確認六個空間磁通的矢量方向是否與對應電氣傳動矢量方向相同，是否存在非對應關系（指某個磁通矢量方向未與對應傳動矢量方向保持一致，但與非對應傳動矢量方向保持一致的關系），若發(fā)現(xiàn)任意問題則要進行調整，必須保障對應矢量方向相同，且與非對應矢量方向保持一定差異。這一基礎上，對空間內非零電壓矢量進行編制，編制過程必須按照順序推進，否則會因為順序改變而無法確認磁通矢量，無法對其進行跟蹤監(jiān)督。

3 結語

綜上所述，交流電動機的電氣傳動控制技術類型繁多，且某些類型的控制技術還有很多形式，不同類型或不同形式的技術有對應的適用條件與優(yōu)劣特點，因此要對電氣傳動進行合理控制，就需要結合實際情況作出選擇，這是做好電氣傳動控制的關鍵。