交流电动机电气传动控制技术研究

王晓洋，马 浩

（西宁特殊刚股份有限公司，青海西宁 810003）

交流电动机是一种换能设备，主要作用是将交流电转换为机械能，机械能可驱动其他设备，代替人工完成相关动作，有助于提高相关领域的生产效率，因此交流电动机在现代早已普及。交流电动机的换能过程是否稳定、换能结果质量是否达标，取决于换能期间的电气传动环节，若该环节出现异常，就会对换能过程与换能结果质量造成负面影响，间接导致生产也受到影响。故为了避免相关问题发生，需要对交流电动机电气传动过程进行控制。而为了实现有效控制，保障控制质量，就要了解相关控制技术，以便正确选型，因此有必要展开相关研究。

1 交流电动机基本情况及电气传动常见方式

1.1 基本情况

交流电动机内部有一个能产生磁场的电磁铁绕组（一般为电磁铁绕组，小部分电动机会选择分布式定子绕组）、一个旋转电枢（或转子），运行中电动机内部通电线圈将在磁场作用下受力而发生转动，由此开始换能。

根据换能模式，交流电动机可以分为两类，分别为同步交流电动机和感应电动机。两者的共同之处是磁场产生方式，即两者均依靠定子侧绕组通入交流电来产生磁场，不同之处在于前者的转子绕组需要在激磁机提供的直流电作用下才能运作，然后产生磁场，后者则无需激磁机帮助，且转子绕组不需要通入电流。

目前比较常见的交流电动机是三相电动机（同步或感应电动机都可以是三相式），这种电动机的定子绕组一般是由3个相互独立的120°线圈组成，通入电流之后每个线圈中都会产生磁场，3个磁场合而为一就形成了旋转磁场，电流每一次全振动的时间与旋转电场的旋转速率相同，也就是说每次全振动结束时磁场正好完成一周旋转，其中旋转磁场的转速为60 r/min。

另外，两种交流电动机中的同步电动机具有转子转速、磁场转速相同的特点，这一点不会因为负载大小而变化，这种电动机也因此而得名，但具体转速的大小取决于电源频率。与之相反，感应电动机也被称为异步电动机，顾名思义，其转子转速、磁场转速并不相同，存在差异，具体取决于负载与电源电压大小。

1.2 电气传动常见方式

电气传动是交流电动机运作过程中将电能转化为机械能后，利用机械能带动其他机械设备发生动作的一种动力移动方式，其不仅能够给其他机械设备提供动力，还能对电动机输出轴的转矩、角加速度、转速、角位移及其他机械设备的起动、运行、变速、制动等进行控制。

交流电动机的电气传动方式被称为交流传动，这种传动一般需要在50 Hz 交流电源基础上进行（特殊情况除外），电源一般为高效静止变流装置。具体传动方式有3种，内容如下。

（1）成组传动。主要利用皮带轮和皮带的组合来进行传动，即将交流电动机作为原动机，利用皮带轮与皮带组合与其他机械设备组合来实现传动。成组传动是最传统的传动方式，虽然原理简单、实施便捷，但存在效率低、劳动条件差的缺陷，且一旦在传动过程中电动机发生故障，那么就会出现整组停运的问题，因此这种传动方式已不是很常见，只能在一些小型工坊中看到。

（2）单电动机传动。是一种使用单台交流电动机带动单台其他机械设备的传动方式，具有动力传递装置损耗小、安装便捷、容易布置等优点。但这种传动方式并不建议在大型组织中使用，原因在于大型组织中很多机械设备的控制逻辑比较复杂，而单台电动机只能对某个机械设备进行整体驱动，说明这种传动方式无法用于复杂机械运作。

（3）多电动机传动。这种方式专门针对复杂机械，即复杂机械大多具有多根转轴，这些转轴本身具有一定的独立性，能够采用不同的转速分开运作，而不同转轴的转速取决于电动机，故设置多台电动机，对不同转轴进行驱动，通过对相关电动机电气传动过程进行控制，能够间接调整不同转轴转速，实现分开运作。多电动机传动的出现使得电气自动化水平大幅提升，因此这种方式在现代生产活动中非常普及。

2 电气传动控制技术

2.1 变频器控制

变频器控制技术的核心设备为变频器，该设备的主要功能就是调节交流电动机的电源频率，因此结合上述的论述可以看出，这种控制技术比较适用于同步交流电动机的电气传动控制当中。可用于交流电动机电气传动控制中的变频器类型繁多，但当前主要使用的有两种。①电流型逆变器。这种变频器的特点是对电流进行直接控制，操作方式比较简便，但是在控制能力上相对较弱，同时结构复杂，缺乏便捷性，不利于安装。应用中还需要通过其他主电路对电流型逆变器本身进行控制，因此大多数情况下并不建议使用电流型逆变器。②电压型逆变器。这种变频器最为常见，原因在于电压型逆变器的结构比较简洁，控制能力较强，也不需要主电路进行额外控制，因此电压型逆变器得到了人们更多的青睐。两种变频器在对改变转向或加速的机械系统中表现尤为突出，具有很强的稳定性，但相比之下，前者一般只能用于具有一定再生能力的机械系统中，而后者除了能够应用在这种系统以外，也能应用到高性能系统中。

因为电压型逆变器使用较多，所以以电压型逆变器为例进行分析。这种变频器的主要原理是利用直流电压进行固定控制，然后利用脉冲宽度对逆变器进行控制，即变频器上有专门控制脉冲宽度的开关，依靠开关可以对脉冲宽度进行切换式控制。值得一提的是，早期电压型逆变器的脉冲宽度控制选择比较少，基本上只有“大”和“小”等个别集中选择，但随着时代的发展，现代一些先进的电压型逆变器脉冲宽度控制都具有参数化特征，结合旋钮开关提供控制选择，因此建议采用先进型电压型逆变器，这对电气传动质量也有很好的帮助，能让人们根据实际需求来设定控制方案与参数标准。脉冲宽度控制的优势在于限制噪声，即相比于其他电压型逆变器控制手段，脉冲宽度控制所产生的高次谐波比较小，因此能够大幅限制噪声形成，而交流电动机的转矩脉动也因此能达到理想水平，使得电气传动中的电压利用率最大化。

以工业生产为例，脉冲宽度控制的要点在于建立脉冲模型，依靠脉冲模型能够对交流电动机的每个相位进行分析，可得到各相位准确的电压数据，这样就能对模型参数进行科学设置，结合控制软件即可自动对脉冲宽度进行控制，间接使得电气传动可控制。关于脉冲模型的建设，其涉及到一个关键技术，即正弦波近似三角波比较法，该方法能够让三相电压的指令值与输出电压数字对等，这样就能利用三角波的大小数值对电压进行分析，得到标准控制参数，操作开关即可保障控制成果的准确性。控制过程中输出电压波型在磁场一周内的指令值与均值之间有一定的比例关系，根据这层关系也能获得电动机输入电压的标准值，同步结合三角波频率能做到持续性调节。使用脉冲宽度方法对电动机电气传动进行控制时，要考虑到电动机的性能，若电动机具有较高的感应性能，那么就要在控制过程中做好检测、瞬态性能分析，并根据结果正确选择控制硬件，以免发生误动。另外，脉冲宽度控制方法并不是完美无缺的，事实上相比于其他同类控制方法，该方法的频率控制、电压控制精度上限不高，但一般情况下电气传动的控制精度要求并不会超过这个上限，但如果情况特殊则要采取其他控制方法。

2.2 控制器控制

为了对交流电动机电气传动进行控制，相关领域长期致力于控制技术的研究，经过多年的开发给出了很多种控制技术，其中控制器控制技术是较具代表性的一项。控制器控制技术的核心设备是专用控制器，是一种专门针对电动机电气传动开发出来的控制设备。具体类型与电动机类型对应，即市面上有专门用于同步电动机的控制器，也有专门用于感应或其他异步电动机的控制器，因此该项技术的使用要点之一就是科学选择控制器。

无论选择何种控制器，其控制原理都十分相似，即控制器控制当中，工作人员可借助控制器对电动机电气传动的磁场旋转形式进行控制，实现转速闭环，因此控制器控制技术也被成为“转速闭环控制法”。主要原理是在电流的作用力下得到较大的电磁转矩，通过转矩让系统运作速度加快，故依靠控制器对电流大小进行控制，调节其作用力，以改变转矩大小，控制系统运作速度，而速度的变化就代表电气传动得到了控制。

控制器控制的关键技术为解耦控制，该项技术主要针对的是电动机的矢量与转矩，与其他关键技术相比，这种技术能够在电气传动中起到主导性作用，因此控制效果良好。关于解耦控制技术的具体实施方法，首先要对电动机基础速度进行检测，然后先对磁链（三相电动机中各相位磁场之间的连接）进行参数化控制，促使磁链保持恒定状态，其次对电动机的电子电流或者是电枢电流的转距分量进行控制，这样依照转矩→转速→电气传动的流程来达成控制目的。另外，结合电动机基础速度，在速度之上要采取弱磁控制设备进行“除法”调节，即任何电动机在运作当中都会产生乘法效应，这种效应对于电气传动有不利影响，会导致磁场过强，因此除法调节的目的就是弱化磁场，抵消乘法效应影响，使得电气传动保持稳定，也实现磁链与转矩解耦目的，完成后则应当依照转矩模型来计算动态转矩值，实现转速闭环，对电气传动进行过程化动态控制。

2.3 微机转矩控制

微机转矩控制是近些年提出的电动机电气传动控制技术，相比于其他控制技术其比较复杂，但控制效果很好，故现已开始在相关领域中得到推广。目前，微机转矩控制在实际应用中主要有两种形式，具体如下。

（1）高性能同步电动机控制形式。该形式专门针对高性能同步电动机的电气传动，相关领域对此开发出了微机转矩控制器。其原理是依靠控制器设定电气传动速率标准区间，然后对电动机电气传动速率进行监督，当传动速率的误差值超出标准期间的上限或下限时，就能得到与电动机预期值有一定比例关系的数值，按照这个数值对电源频率进行控制，能够对速率进行上下调节，使得电气传动得到控制，整体趋于稳定。在这个过程中，电流磁通与转矩之间是正相关关系，故能够将转矩的参数值与磁通进行对比，可得到传动电流参数值，依照该参数值能够对传动速率进行判断，即如果参数值恒定，代表磁通处于恒定状态，这种状态下代表传动速度并未达到额定标准，反之则说明传动速度高于额定标准，这时人们就能正确地设定控制策略。另外，这种控制方法一般需要配合嵌套反馈环来使用，而嵌套反馈环的运作速度必须比所有外环高。

（2）感应电动机控制形式。是一种专门针对感应电动机电气传动开发出的控制技术，这种技术形式没有控制器，因此需要直接通过微机来进行控制，控制目标是电动机的转矩。感应电动机主要由各种逆变器组成，这使得其电源模式非纯正弦，由此对其进行调速控制时很容易打破气隙磁通原本的恒定状态，而依靠微机对转矩进行控制能够解决这一问题，即微机控制下人们能够对主磁通进行跟踪式的监督，当发现主磁通速度处于非恒定状态，那么就可以根据差值输入参数，然后输出带参数指令，让主磁通速度回到恒定状态。感应电动机微机控制的关键点在于平滑圆周，即电动机电气传动中会出现平滑圆周，其类似于多边形，存在很多角，而角越多就代表平滑圆周越接近圆形。按照这一理论，相关人员可以在微机上设置等十二边形（一般建议选择等十二边形，特殊情况另外选择），在该形状基础上确认六个空间磁通的矢量方向是否与对应电气传动矢量方向相同，是否存在非对应关系（指某个磁通矢量方向未与对应传动矢量方向保持一致，但与非对应传动矢量方向保持一致的关系），若发现任意问题则要进行调整，必须保障对应矢量方向相同，且与非对应矢量方向保持一定差异。这一基础上，对空间内非零电压矢量进行编制，编制过程必须按照顺序推进，否则会因为顺序改变而无法确认磁通矢量，无法对其进行跟踪监督。

3 结语

综上所述，交流电动机的电气传动控制技术类型繁多，且某些类型的控制技术还有很多形式，不同类型或不同形式的技术有对应的适用条件与优劣特点，因此要对电气传动进行合理控制，就需要结合实际情况作出选择，这是做好电气传动控制的关键。