高性能V／f控制在中壓變頻器中的實(shí)現(xiàn)

引言
控制調(diào)速系統(tǒng)是中壓變頻器裝置的核心。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的恒壓頻比(V/f控制是最簡(jiǎn)單的控制方式，適用于無(wú)高動(dòng)態(tài)性能要求的一般交流調(diào)速場(chǎng)合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等。
目前已成熟應(yīng)用的通用變頻器有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，但仍還保留V/f控制。在V/f控制下，變頻器具有轉(zhuǎn)矩控制，無(wú)“跳閘”，機(jī)械特性硬度提高，挖土機(jī)特性等。將V/f控制思想引入單位串聯(lián)中壓變頻器，可使中壓變頻器性能較高。

2 控制原理
基于轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制方式(即恒E/f1控制)采用磁通補(bǔ)償器、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器和電流限制控制器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制功能。這充分體現(xiàn)出高性能V/f控制的基本思想。但要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定控制比較困難，因此實(shí)現(xiàn)恒Eg/f1控制，同時(shí)輔以電流限制控制，實(shí)現(xiàn)挖土機(jī)特性，防止出現(xiàn)“跳閘”；轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制提高機(jī)械特性的硬度，實(shí)現(xiàn)在速度開(kāi)環(huán)控制下轉(zhuǎn)速誤差最?。篒R降補(bǔ)償保持氣隙磁通始終恒定，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)“跳閘”的高性能V/f控制，其原理框圖如圖1所示。

3 定子電阻(IR降)補(bǔ)償
恒壓頻比控制的出發(fā)點(diǎn)是保持氣隙磁通φm不變，充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在基頻以下調(diào)速時(shí)，為保持氣隙磁通φm不變，只要控制Eg/f1為恒值即可，但Eg不能直接控制，一般用定子電壓U1替代Eg形成V/f控制。頻率高時(shí)，由于定子上所施電壓高，可忽略定子電阻壓降；但在低頻時(shí)，由于定子電阻的影響不可忽略，恒壓頻比控制不能有效保持磁通不變，調(diào)速系統(tǒng)的輸出最大轉(zhuǎn)矩將降至很小，限制了系統(tǒng)帶載能力，甚至不能帶載。這時(shí)可采用定子壓降補(bǔ)償(IR補(bǔ)償)，適當(dāng)提高定子電壓，增強(qiáng)帶載能力。
定子電阻補(bǔ)償基于保持定子磁通幅度不變，由于定子漏電感L只占定子全電感的2％～5％，所以工程應(yīng)用中可忽略定子漏電感，即L=0，這樣近似認(rèn)為定子磁通等于氣隙磁通。在此基礎(chǔ)上，采用矢量補(bǔ)償IR降方法。圖2為異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路。

根據(jù)圖2異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路的相量圖可得：

定義額定頻率frated下Eg的幅值是Urated，這樣當(dāng)輸出頻率為f時(shí)要求Eg的幅值為Urated(f/frated)，將該值代入式(1)，得：

式中，定子電阻R1，I，cosφ和I1,sinφ是未知量，只要計(jì)算出這些量，就可按矢量方式計(jì)算U1。
從圖2看出，由于補(bǔ)償定子電阻壓降需要提高電壓，而提高電壓將進(jìn)一步增大定子電阻壓降，這就形成一個(gè)正反饋，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可將式(2)所計(jì)算的U1分為兩部分，一部分為基本的V/f分量，另一部分為補(bǔ)償定子電阻壓降分量。后者經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)(抑制這部分的變化速度)后再與基本的V/f分量相加，從而得到電壓輸出U1。所有計(jì)算均采用按額定值標(biāo)么化后的標(biāo)么值計(jì)算，這樣大大減少計(jì)算量。

4 轉(zhuǎn)差補(bǔ)償
異步電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，必需一定的轉(zhuǎn)差s，在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況下，比如額定轉(zhuǎn)速，s約3％，其影響可忽略。在變頻器變頻運(yùn)行時(shí)，為產(chǎn)生同樣的電磁轉(zhuǎn)矩，s反比于同步頻率，隨著同步頻率的下降，s越來(lái)越大；當(dāng)同步頻率低到一定程度時(shí)電機(jī)可能會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是轉(zhuǎn)差s在低速時(shí)嚴(yán)重影響電機(jī)調(diào)速的精度。
由電機(jī)學(xué)原理可知，異步電機(jī)的機(jī)械特性在電磁轉(zhuǎn)矩(TL)小于最大轉(zhuǎn)矩(Tm)時(shí)，不同同步轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性近似為一組平行線，也就是說(shuō)為產(chǎn)生同樣的電磁轉(zhuǎn)矩，在不同同步頻率下其速度降落基本相同，這就是轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)某霭l(fā)點(diǎn)。當(dāng)同步頻率為f0時(shí)，為輸出T0的轉(zhuǎn)矩，速度降落為△f，為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)速f0,就要將同步頻率提高到f0+△f。
轉(zhuǎn)差補(bǔ)償目的是要提高電機(jī)機(jī)械特性的硬度，準(zhǔn)確進(jìn)行轉(zhuǎn)差補(bǔ)償，這需要知道轉(zhuǎn)差和電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系。在恒Er/f1控制方式下，電機(jī)機(jī)械特性是直線，因此轉(zhuǎn)差與電磁轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系，即在保持轉(zhuǎn)子磁通幅值不變的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比。在恒U1/f1控制和恒Eg/f1控制下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成非線性關(guān)系，但是在電磁轉(zhuǎn)矩(TL)比最大轉(zhuǎn)矩(Tm)小得多時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成近似線性關(guān)系，只是恒Eg/f1控制的近似線性段更長(zhǎng)，而且由于恒Eg/f1控制在各同步頻率下的最大轉(zhuǎn)矩(Tm)不變，因此，這種近似關(guān)系也不會(huì)隨同步頻率變化而變化。因此，在補(bǔ)償定子電阻降落(IR降)，保持Eg/f1恒定的情況下，通常采用與恒Er/f1控制方式下相同的線性補(bǔ)償方法。