高性能V/f控制在中壓變頻器中的實(shí)現(xiàn)

1 概述

對(duì)于中壓變頻器來講，怎樣控制調(diào)速系統(tǒng)是其核心問題。轉(zhuǎn)速開環(huán)的恒壓頻比(V/f)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式，特別適用于沒有高動(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。普通V/f控制示意圖如圖1所示。

雖然目前通用變頻器已經(jīng)能夠比較成熟地應(yīng)用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，但都還保留V/f控制，同時(shí)還發(fā)展出高性能V/f控制。在高性能V/f 控制方式下，變頻器具有轉(zhuǎn)矩控制功能，無“跳閘”能力，機(jī)械特性硬度提高，并且具有挖土機(jī)特性[1]。本文把這種控制思想引入中壓變頻器，以期使中壓變頻器具有較高的性能。該方法是基于轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制方式，即恒Er / f1控制，它采用了磁通補(bǔ)償器、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器和電流限制控制器，用以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制功能，充分體現(xiàn)了高性能V/f控制的基本思想。但是要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定控制是比較困難的，因此本文在實(shí)現(xiàn)恒Eg / f1控制時(shí)，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”;用轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制提高機(jī)械特性的硬度，實(shí)現(xiàn)在速度開環(huán)控制下的轉(zhuǎn)速誤差最小;通過IR降補(bǔ)償保持氣隙磁通的始終恒定。其原理框圖如圖2所示。

2 定子電阻(IR 降)補(bǔ)償

恒壓頻比控制的出發(fā)點(diǎn)是保持氣隙磁通椎m不變,以便充分利用電機(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)的原理，在基頻以下調(diào)速時(shí)，為保持氣隙磁通椎m不變，只要控制Egf1= 恒值即可，但是不能直接控制Eg，一般就用定子電壓U1替代Eg形成V/f控制。在高頻時(shí)，由于定子上所加電壓高，忽略定子電阻壓降影響不大;但是在低頻時(shí)，由于定子電阻的影響達(dá)到不可忽略的地步，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)矩將降到很小，限制了系統(tǒng)的帶載能力，甚至不能帶載。這時(shí)就要采用定子壓降補(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)償是基于保持定子磁通幅度不變的一種補(bǔ)償方式，這是由于定子漏電感L 只占定子全電感的2%~5%，所以在工程應(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，采用了一種矢量補(bǔ)償IR降的方法。

異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路如圖3 所示，相量圖如圖4所示。

從相量圖可以看出，由于補(bǔ)償定子電阻壓降需要提高電壓，而電壓的提高會(huì)進(jìn)一步增大定子電阻壓降，這樣就形成了一個(gè)正反饋，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以將式(2)所計(jì)算出的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，將后者經(jīng)過一個(gè)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，從而得到真正起作用的輸出電壓U1。所有的計(jì)算均采用按額定值標(biāo)么化后的標(biāo)么值計(jì)算，這樣會(huì)大大減少計(jì)算量。

3 轉(zhuǎn)差補(bǔ)償

異步電機(jī)要產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，必需要有一定的轉(zhuǎn)差s，在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況下，比如額定轉(zhuǎn)速，s 在3%左右，那么它的影響可以忽略。在變頻運(yùn)行的時(shí)候，為了產(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 將越來越大;并且當(dāng)同步頻率低到一定程度時(shí)電機(jī)可能會(huì)帶不動(dòng)負(fù)載而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是轉(zhuǎn)差s 在低速時(shí)嚴(yán)重影響到電機(jī)調(diào)速的精度。

通過電機(jī)學(xué)的原理可以知道，異步電機(jī)的機(jī)械特性在電磁轉(zhuǎn)矩(TL)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[2]，也就是說為了產(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)，輸出轉(zhuǎn)矩T0，速度降落為駐f，為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)速f0，就要將同步頻率提高到f0+駐f。

轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)哪康氖且岣唠姍C(jī)的機(jī)械特性的硬度，要準(zhǔn)確地進(jìn)行轉(zhuǎn)差補(bǔ)償，就要知道轉(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，也就是說，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)小較多時(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)，從而保持Eg / f1恒定的情況下，通常可以采用與恒Er / f1控制方式下相同的線性補(bǔ)償方法。

采用這種線性補(bǔ)償方法，電磁轉(zhuǎn)矩距離最大轉(zhuǎn)矩越近，誤差越大。

4 電流限制控制

電流限制控制的目的是，使電機(jī)能發(fā)出某一最大轉(zhuǎn)矩，并且不論負(fù)載有多么重(甚至發(fā)生堵轉(zhuǎn))，變頻器也不會(huì)跳閘，也就是實(shí)現(xiàn)挖土機(jī)特性。由于采用載波水平移相PWM 調(diào)制，18 個(gè)單元串聯(lián)的中壓變頻器的每個(gè)單元輸出功率平均分配，設(shè)每個(gè)單元的輸入功率為Pin，則總功率為

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