高性能V/f控制在中壓變頻器中的實現(xiàn)

1 概述

對于中壓變頻器來講，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)控制是最簡單的一種控制方式，特別適用于沒有高動態(tài)性能要求的一般交流調(diào)速場合，例如風(fēng)機、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，機械特性硬度提高，并且具有挖土機特性[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，它采用了磁通補償器、轉(zhuǎn)差補償器和電流限制控制器，用以實現(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。但是要實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定控制是比較困難的，因此本文在實現(xiàn)恒Eg / f1控制時，同時輔以電流限制控制，實現(xiàn)挖土機特性，防止出現(xiàn)“跳閘”;用轉(zhuǎn)差補償控制提高機械特性的硬度，實現(xiàn)在速度開環(huán)控制下的轉(zhuǎn)速誤差最小;通過IR降補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)補償

恒壓頻比控制的出發(fā)點是保持氣隙磁通椎m不變,以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力。根據(jù)電機學(xué)的原理，在基頻以下調(diào)速時，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，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，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。這時就要采用定子壓降補償(IR 補償)，適當(dāng)提高定子電壓，增強帶載能力。

定子電阻補償是基于保持定子磁通幅度不變的一種補償方式，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，采用了一種矢量補償IR降的方法。

異步電機穩(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，由于補償定子電阻壓降需要提高電壓，而電壓的提高會進(jìn)一步增大定子電阻壓降，這樣就形成了一個正反饋，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以將式(2)所計算出的U1分為兩部分，一部分為基本的V/f分量，另一部分為補償定子電阻壓降分量，將后者經(jīng)過一個階慣性環(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。所有的計算均采用按額定值標(biāo)么化后的標(biāo)么值計算，這樣會大大減少計算量。

3 轉(zhuǎn)差補償

異步電機要產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，必需要有一定的轉(zhuǎn)差s，在電機轉(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。在變頻運行的時候，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電機可能會帶不動負(fù)載而停止轉(zhuǎn)動，也就是轉(zhuǎn)差s 在低速時嚴(yán)重影響到電機調(diào)速的精度。

通過電機學(xué)的原理可以知道，異步電機的機械特性在電磁轉(zhuǎn)矩(TL)<最大轉(zhuǎn)矩(Tm)時，不同同步轉(zhuǎn)速下的機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)差補償?shù)某霭l(fā)點。當(dāng)同步頻率為f0 時，輸出轉(zhuǎn)矩T0，速度降落為駐f，為了保證電機轉(zhuǎn)速f0，就要將同步頻率提高到f0+駐f。

轉(zhuǎn)差補償?shù)哪康氖且岣唠姍C的機械特性的硬度，要準(zhǔn)確地進(jìn)行轉(zhuǎn)差補償，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，電機機械特性是直線，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，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，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)系也不會隨同步頻率變化而變化。

因此，在補償定子電阻降落(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償方法。

采用這種線性補償方法，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))，變頻器也不會跳閘，也就是實現(xiàn)挖土機特性。由于采用載波水平移相PWM 調(diào)制，18 個單元串聯(lián)的中壓變頻器的每個單元輸出功率平均分配，設(shè)每個單元的輸入功率為Pin，則總功率為

如果在直流側(cè)大電容的作用下Ed恒定，那么電流Id將與Tf1成正比，隨著負(fù)載的加重，轉(zhuǎn)矩增加，總可以通過適當(dāng)降低f1使Id限制在特定的水平下。為保證電流限制功能的實現(xiàn)，還要適當(dāng)調(diào)節(jié)輸出電壓，為此設(shè)計了一種特殊的PI調(diào)節(jié)器，用于限制最大電流，實現(xiàn)挖土機特性。

最大電流限制調(diào)節(jié)的部分結(jié)構(gòu)框圖見圖5，最大電流限制PI 調(diào)節(jié)器，以允許的最大電流(由參數(shù)P106設(shè)置)為給定值，以“定子電流3/2變換及分解”模塊輸出的電流有效值(標(biāo)么值)為反饋量，輸出兩個相同的調(diào)節(jié)量駐f(頻率調(diào)節(jié)量，由變量KK0118給出)和駐u(電壓調(diào)節(jié)量，由變量KK0119給出)，駐u 起輔助作用，用比例系數(shù)P121來調(diào)節(jié)。需要說明的是，雖然這里的電流反饋值是有效值，但它是通過A、C兩相電流瞬時值實時計算的(電流矢量幅值)，因此，

可以滿足電流調(diào)節(jié)的動態(tài)要求;PI 調(diào)節(jié)器是針對限制最大電流的，電流只能從大(超過最大允許值)向小調(diào)，而不能從小向大調(diào)，因此，調(diào)節(jié)器輸出必須限

幅(小于零)。根據(jù)變頻器電流限制的需要，本文設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器與普通PI調(diào)節(jié)器有兩點不同，即有兩個輸出調(diào)節(jié)量和輸出限幅。

為了方便，設(shè)計的數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器采用了增量式算法，以限制起動電流實驗來驗證最大電流限制調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果。

實驗中電壓調(diào)節(jié)量的輸出KK0119 的比例系數(shù)P121=1.0，各個參數(shù)意義羅列如下：

P100為PI調(diào)節(jié)器的積分增益;

P113為PI調(diào)節(jié)器的比例增益;

P106為允許的最大電流有效值(標(biāo)么值);

P107為選擇最大電流模擬量連接子;

KK0102為反饋的實際電流有效值(標(biāo)么值，數(shù)字濾波之前);

KK0103為反饋的實際電流有效值(標(biāo)么值，數(shù)字濾波之后);

P101為實際電流有效值濾波時間常數(shù);

KK0118為頻率調(diào)節(jié)輸出量。

圖6給出了限制起動電流的實驗波形圖，其中圖6(a)和圖6(b)的實驗參數(shù)是：P100=50 ms，P113=0.05，P106=13%，P101=1000ms，控制反饋量KK0103，圖6(a)給出的是KK0118(1 波)和KK0103(2 波)的波形，圖6(b)給出的是KK0118(9波)和KK0102(10波)的波形;圖6(c)的實驗參數(shù)是：P100=50ms，P113=0.10，P106=13%，控制反饋量KK0102，圖6(c)給出的是KK0118(7波)和KK0102(8波)的波形。

從圖6(a)和(b)可以看出，以濾波之后的電流有效值作為反饋，由于反饋信號的延時，使得控制量輸出滯后，雖然調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了對濾波后電流KK0103的較好控制[如圖6(a)]，但是此時對實際的電流值KK0102 的控制并不好[如圖6(b)]，電流動態(tài)峰值達(dá)到了7 A左右，而實際的允許最大電流值為1.3 A，達(dá)不到無“跳閘”的目的;為了實現(xiàn)限制動態(tài)電流的目的，圖6(c)增大了比例增益，并用無延時的KK0102為反饋，這時動態(tài)電流最大值被限制在2 A 左右，對比圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，圖6(c)較好地實現(xiàn)了限流的目的。更為恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)參數(shù)，可以使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果更好。

5 結(jié)語

綜上所述，只要調(diào)節(jié)好定子電阻(IR降)補償、轉(zhuǎn)差補償器和最大電流限制控制器的參數(shù)，會使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果較好;同時由于用于電流限幅的給定值P106，是為了限制過載設(shè)置的，它的值要比“跳閘”的過流值小，因此本文設(shè)計的調(diào)節(jié)器可以起到限制最大電流的作用，以實現(xiàn)挖土機特性。