1 概述
與直流電動機相比，感應電動機具有結構簡單、制造容易、維護工作量小等優點，但感應電動機的控制卻比直流電動機復雜的多。早期的交流傳動均用于不可調傳動，而可調傳動則用直流傳動，隨著電力電子技術、控制技術和計算機技術的發展，交流可調傳動的應用已成為不爭的事實。交流可調傳動的應用主要分為三個方面:
·用于大量的風機、水泵類電機的調速，以獲得可觀的節能效益;
·用于高性能的傳動系統，取代直流傳動系統;
·用于特大容量、極高轉速的交流調速。
按照感應電動機的功率流向，從定子傳入轉子的電磁功率
可分成兩部分:
·一部分
是機械軸上輸出的機械功率;
·另一部分
是與轉差s成正比的轉差功率。
按轉差功率可以把感應電動機的調速系統分成三類:
(1) 轉差功率消耗型調速系統
轉差功率轉換成熱能消耗在轉子回路中，以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低，這類系統的效率較低，且隨著轉速的降低而降低，這類系統結構簡單，設備成本低，仍具有一定的應用價值，例如降電壓調速。
(2) 轉差功率饋送型調速系統
轉差功率的一部分被消耗掉，大部分則通過變換裝置回饋給電網或轉化成機械能予以利用，這類系統的效率比轉差功率消耗型高，若轉差功率由轉子側送入，則可使轉速高于同步轉速，此類系統只能用于繞線型感應電動機，應用場合受到一定的限制，設備成本高于前一種，例如繞線電動機雙饋調速。
(3) 轉差功率不變型調速系統
在這類系統中，無論轉速高低，轉差功率都為轉子銅損，保持不變，因此效率也較高，變極對數調速和變壓變頻調速屬于此類。其中變極對數調速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調速應用最廣。
感應電動機的轉速表達式為
其中: s—轉差;
f—電源頻率;
—電機極對數;
—同步轉速。
由式(1)可知，可以通過改變轉差s或同步轉速
實現調速，轉差功率消耗型和轉差功率饋送型屬于改變轉差的調速方法，轉差功率不變型屬于改變同步轉速的調速方法。
電力傳動控制系統的運動方程為:
由式(2)可知，通過電磁轉矩來控制轉速的變化率，進而達到控制轉速或轉角的目的。因此，轉矩控制是電力傳動系統的根本問題。為了有效地控制電磁轉矩，充分利用電機鐵芯，必須在控制轉矩的同時對磁鏈(或磁通)進行控制。因為當磁鏈(或磁通)很小時，即使電流很大，實際轉矩仍然很小。何況由于物理條件限定，電流總是有限的。因此，磁鏈控制與轉矩控制同樣重要，不可偏廢[1]。
2 感應電動機穩態模型及基于穩態模型的控制方法
2.1 感應電動機穩態模型
根據電機學原理[2]，在下述三個假定條件下:
·忽略空間和時間諧波;
· 忽略磁飽和;
·忽略鐵損，感應電動機的穩態模型可以用t型等效電路表示，如圖１所示。
圖1 感應電動機t型等效電路
各參數定義如下: rs、rr′—定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻;
—定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感;
lm—定子每相繞組產生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感;
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的轉子相電流。
忽略勵磁電流, 得到如圖2所示的簡化等效電路:
圖2 感應電動機簡化等效電路
電流公式可表示為
和最大轉矩
恒壓恒頻供電時感應電動機的機械特性如圖3所示，其中為同步轉速。
圖3 感應電動機恒壓恒頻供電時的機械特性
2.2 感應電動機降壓恒頻調速
降低供電電壓的幅值，保持電源的頻率不變，一般稱作調壓調速，降壓恒頻調速的特點是同步轉速保持不變，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，其機械特性如圖4所示。當負載轉矩
恒定時, 電磁功率
隨著轉速的降低而增加，而機械功率
卻隨之減小。因此，降壓恒頻調速屬于轉差功率消耗型調速方式。
圖4 感應電動機降壓恒頻供電時的機械特性
降壓恒頻調速的缺點是機械特性變軟，過載能力差，啟動轉矩減小，轉矩負載調速范圍小。降壓恒頻調速主回路結構簡單，控制容易，但性能欠佳。隨著變頻調速技術的發展，降壓恒頻調速已不作為調速的主要手段，常用于中、大功率感應電動機的降壓起動[3]。
2.3 繞線型感應電動機雙饋調速
定子側供電電源保持額定狀態，加大轉子回路電阻rr′即為繞線型感應電動機轉子回路串電阻調速，其特點是:同步轉速和氣隙磁通φm保持不變，最大轉矩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，當電磁轉矩相同時，轉子回路電阻與轉差之比
為常數，繞線型感應電動機轉子回路串電阻的機械特性如圖5所示。
圖5 繞線型感應電動機轉子回路串電阻的機械特性
轉子回路電阻越大，轉差功率越大，效率越低，為了提高調速系統的效率，可在轉子回路串入用功率變換器構成的附加電動勢
，等值電路如圖6所示，將經頻率折算和繞組折算得到定子側等效附加電動勢
。當
>0時，功率變換器將轉差功率回饋至電網，這就是低于同步轉速的串級調速。當<0時,轉子回路串入的附加電動勢從電網吸取能量注入轉子回路,使轉差s<0，轉速n高于同步轉速，這就是高于同步轉速的串級調速，或稱為超同步串級調速。超同步串級調速轉子回路的功率變換器要求能量可以雙向流動，其結構與控制比低于同步轉速的串級調速復雜[3]。
繞線型感應電動機雙饋調速的基本特征是:氣隙磁通 φm和同步轉速保持不變，理想空載轉速隨轉子回路串入的附加電動勢而變化，由圖6等值電路得轉矩表達式，
圖6 繞線型感應電動機轉子回路串電動勢等值電路
圖7為繞線型感應電動機雙饋調速機械特性，當>0時，理想空載轉速低于同步轉速
<;當<0時，理想空載轉速高于同步轉速>;當=0時，理想空載轉速等于同步轉速=。
圖7 繞線型感應電動機雙饋調速機械特性
感應電動機雙饋調速只能用于繞線型電機，應用場合受到限制，常用于大功率的風機、水泵類負載的調速，隨著中、高壓大功率變頻技術的發展，雙饋調速的應用市場正在逐步萎縮。與變頻調速相比較，雙饋調速的優點是:由于氣隙磁通φm不變，在高于同步轉速的范圍內，允許輸出功率較大，但轉子回路承受電壓較高;轉子回路功率變換器的容量隨著調速范圍的減小而降低。
2.4 轉速開環的感應電動機變壓變頻調速(vvvf)
變壓變頻調速是改變同步轉速的調速方法，同步轉速隨頻率而變化，
為了達到良好的控制效果，常采用電壓-頻率協調控制，分基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。
(1) 基頻以下調速
以便充分利用電動機鐵心，發揮電動機產生轉矩的能力，在基頻以下采用恒磁通控制方式，要保持φm不變，當頻率
從額定值
向下調節時，必須同時降低eg，使
常值 (11)
即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子電阻和漏磁感抗壓降，而認為定子相電壓us≈eg，則得
這是恒壓頻比的控制方式。
低頻時，us和eg都較小，定子電阻和漏磁感抗壓降所占的份量相對較大，可以人為地抬高定子相電壓us，以便補償定子壓降，稱作低頻補償或轉矩提升。帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性示于圖8中的b線，無補償的控制特性則為a線。
圖8 恒壓頻比控制特性
(2) 基頻以上調速
在基頻以上調速時，頻率從向上升高，但定子電壓us卻不可能超過額定電壓
，只能保持us=不變，這將使磁通與頻率成反比地下降，使得感應電動機工作在弱磁狀態。
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。如果電動機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化而變化。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定，轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時磁通恒減小，轉矩也隨著降低，基本上屬于“恒功率調速”。
圖9 感應電動機變壓變頻調速的控制特性
(3) 電壓-頻率協調控制時的機械特性
基頻以下須采用恒壓頻比控制，感應電動機的電磁轉矩為
由此可見，當us/ω1為恒值時，對于同一轉矩te，δn基本不變。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率ω1時，機械特性基本上是平行下移，如圖10所示。將最大轉矩改寫為
圖10 感應電動機變壓變頻調速機械特性
可見最大轉矩temax是隨著ω1的降低而減小的。頻率很低時, temax很小，電動機帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補償，適當地提高電壓us，可以增強帶載能力。
在基頻以上變頻調速時，電壓us=不變，機械特性方程式可寫成
當角頻率ω1提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖10所示。由于頻率提高而電壓不變, 氣隙磁通勢必減弱，導致轉矩的減小，但轉速卻升高了, 可以認為輸出功率基本不變。
圖11 感應電動機轉速開環變壓變頻調速系統結構原理圖
圖11為感應電動機轉速開環變壓變頻調速系統結構原理圖，一般稱為通用變頻器，被廣泛應用于調速性能要求不高的場合，中、高壓大功率風機、水泵類負載的一般多采用這種調速方法，為了避免突加給定造成的過流，在頻率給定后設置了給定積分環節。由于轉速開環，現場調試工作量小，使用方便，但轉速有靜差，低速性能欠佳。
2.5 感應電動機轉速閉環的轉差頻率控制調速系統
在負載轉矩擾動下，轉速開環變頻調速系統存在靜態誤差，采用轉速反饋閉環控制可有效減小或消除靜差，轉差頻率控制就是一種轉速閉環的調速系統。
2.5.1 轉差頻率控制的基本概念
采用恒eg/ω1控制(即恒φm控制)時的電磁轉矩公式為
如果保持氣隙磁通φm不變，感應電動機的轉矩就近似與轉差角頻率
成正比。這就是說，控制轉差頻率就可以控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念。
轉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，要實現恒eg/ω1控制，必須采用定子電流補償控制，嚴格說來，應該既有幅值補償，又需要相位補償，為了簡化系統結構，一般僅采用幅值補償，
其中，
分別為額定狀態下定子每相感應電動勢的有效值和額定電源角頻率。
總結起來，轉差頻率控制的規律是:
(1) 在
的范圍內，轉矩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，需要定子電流補償，以保持氣隙磁通φm恒定。
2.5.2 轉差頻率控制的變壓變頻調速系統
圖12 轉差頻率控制的轉速閉環變壓變頻調速系統結構原理圖
實現上述轉差頻率控制規律的轉速閉環變壓變頻調速系統結構原理圖如圖12所示，轉速調節器asr的輸出信號是轉差頻率給定
，與實測轉速信號ω相加，即得定子頻率給定信號
，即
為了保證系統工作在
的范圍內，應限制最
頻率來控制轉矩。
由給定角頻率和定子電流反饋信號is構成定子電壓給定信號us*，用us*和控制電壓型pwm逆變器，即得感應電動機調速所需的變壓變頻電源。
轉差角頻率ωs*與實測轉速信號ω相加后得到定子頻率給定信號，這一關系是轉差頻率控制系統突出的特點或優點。它表明，在調速過程中，實際頻率ω1隨著實際轉速ω同步地上升或下降，有如水漲而船高，因此加、減速平滑而且穩定。同時，由于在動態過程中轉速調節器asr飽和，系統能用對應于
的限幅轉tem進行控制，保證了在允許條件下的快速性。
然而，它的靜、動態性能還不能完全達到直流雙閉環系統的水平，存在差距的原因有以下幾個方面:
（1) 在分析轉差頻率控制規律時, 是從感應電動機穩態等效電路和穩態轉矩公式出發的, 所謂的“保持磁通φm恒定”的結論也只在穩態情況下才能成立。在動態中φm的變化將影響系統的動態性能。
（2) 僅采用了定子電流幅值的補償, 而沒有電流的相位補償, 在動態中電流的相位也是影響轉矩變化的因素。
（3) 在頻率控制環節中, 取ω1=ωs+ω, 使頻率ω1得以與轉速ω同步升降, 這本是轉差頻率控制的優點。然而，如果轉速檢測信號不準確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差，因為所有這些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減地傳遞到頻率控制信號上來了。
參考文獻
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[2] 湯蘊璆,史 乃. 電機學. 北京:機械工業出版社,1999
[3] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統—運動控制系統. 北京:機械工業出版社,2003
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
