基于轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制方式實(shí)現(xiàn)高性能V/f控制及應(yīng)用

1、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)速誤差最小：IR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。

5、電流限制控制

電流限制控制目的是使電機(jī)能發(fā)出某一最大轉(zhuǎn)矩，并且不論負(fù)載有多重（甚至發(fā)生堵轉(zhuǎn)），變頻器也不會(huì)跳閘，即實(shí)現(xiàn)挖土機(jī)特性。由于這里所指的中壓變頻器是串聯(lián)的18個(gè)單元，采用載波水平移相PWM調(diào)制，該18個(gè)單元的中壓變頻器每個(gè)單元輸出功率平均分配，設(shè)每個(gè)單元的輸入功率為Pm，則總功率為：

式中，Ed為功率單元逆變器輸入電壓；Id為功率單元逆變器輸入電流；ωr為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率。

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(guò)適當(dāng)降低f1使Id限制在特定水平以下。為保證實(shí)現(xiàn)電流限制功能，還要適當(dāng)調(diào)節(jié)輸出電壓，為此設(shè)計(jì)了一種特殊的PI調(diào)節(jié)器，用于控制限制最大電流，實(shí)現(xiàn)挖土機(jī)特性。

圖3為最大電流限制調(diào)節(jié)的部分結(jié)構(gòu)框圖，最大電流限制PI調(diào)節(jié)器。以允許最大的電流（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，輸出2個(gè)相同的調(diào)節(jié)量△f（由變量KK0118給出，頻率調(diào)節(jié)量）和△u（由變量KK0119給出，電壓調(diào)節(jié)量），△u起輔助作用，用比例系數(shù)P121來(lái)調(diào)節(jié)。需說(shuō)明：這里雖然電流反饋值是有效值（標(biāo)么值），但它是通過(guò)A、C兩相電流瞬時(shí)值實(shí)時(shí)計(jì)算的（電流矢量幅值），因此，可以滿足電流調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)需求；PI調(diào)節(jié)器針對(duì)限制最大電流，電流只能從大（超過(guò)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，設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器與普通PI調(diào)節(jié)器有兩點(diǎn)不同：輸出調(diào)節(jié)量和輸出限幅。

為了方便，設(shè)計(jì)的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器采用增量式算法。為驗(yàn)證最大電流限制調(diào)節(jié)器的效果，進(jìn)行限制起動(dòng)電流實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)中電壓調(diào)節(jié)量的輸出KK0119的比例系數(shù)P121=1.0。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(shí)際電流有效值（標(biāo)么值，數(shù)字濾波之前）；KK0103為反饋的實(shí)際電流有效值（標(biāo)么值，數(shù)字濾波之后）；P101為實(shí)際電流有效值濾波時(shí)間常數(shù)；KK0118為頻率調(diào)節(jié)輸出量。

圖4為限制起動(dòng)電流的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖4a、b的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：P100=50 ms，P113=0．05，P106=13％，P101=1 000 ms，控制反饋量KK0103。圖4a為KK0108（1波）和KK0103（2波）的波形，圖4b為KK0118（9波）和KK0102（10波）的波形；圖4c的實(shí)驗(yàn)參數(shù)是：P100=50 ms，P113=0．10，P106=13％?？刂品答伭縆K0102，圖4c為KK0118（7波）和KK0102（8波）的波形。

從圖4a、b可看出，以濾波后的電流有效值作為反饋，由于反饋信號(hào)的延時(shí)，使得控制量輸出滯后，雖然調(diào)節(jié)器較好控制濾波后的電流KK0103（圖4a），但是此時(shí)對(duì)實(shí)際的電流值KK0102的控制并不好（圖4b），電流動(dòng)態(tài)峰值到達(dá)7 V，而實(shí)際的允許最大電流值為1．3 V，達(dá)不到無(wú)“跳閘”；為了限制動(dòng)態(tài)電流，圖4c增大了比例增益，并用無(wú)延時(shí)的KK0102為反饋，這時(shí)動(dòng)態(tài)電流最大值被限制在2 V左右，較好地實(shí)現(xiàn)了限流目的。所以更為恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)參數(shù)，可以改善調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果。

6、 結(jié)語(yǔ)

綜上所述。調(diào)節(jié)定子電阻（IR降）補(bǔ)償、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器和最大電流限制控制器的參數(shù)，使得調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果較好；同時(shí)由于用于電流限幅的給定值P106，是為了限制過(guò)載設(shè)置的，它的值要比“跳閘”的過(guò)流值小。因此所設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器可起到限制最大電流的作用，從而實(shí)現(xiàn)挖土機(jī)特性。

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