高性能V/f控制在中壓變頻器中的實(shí)現

1 概述

對于中壓變頻器來(lái)講，怎樣控制調速系統是其核心問(wèn)題。轉速開(kāi)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(méi)有高動(dòng)態(tài)性能要求的一般交流調速場(chǎng)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)能夠比較成熟地應用矢量控制和直接轉矩控制，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，變頻器具有轉矩控制功能，無(wú)“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、轉差補償器和電流限制控制器，用以實(shí)現轉矩控制功能，充分體現了高性能V/f控制的基本思想。但是要實(shí)現轉子磁鏈恒定控制是比較困難的，因此本文在實(shí)現恒Eg / f1控制時(shí)，同時(shí)輔以電流限制控制，實(shí)現挖土機特性，防止出現“跳閘”;用轉差補償控制提高機械特性的硬度，實(shí)現在速度開(kāi)環(huán)控制下的轉速誤差最小;通過(guò)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(diǎn)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)生轉矩的能力。根據電機學(xué)的原理，在基頻以下調速時(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，調速系統的輸出最大轉矩將降到很小，限制了系統的帶載能力，甚至不能帶載。這時(shí)就要采用定子壓降補償(IR 補償)，適當提高定子電壓，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%，所以在工程應用中可忽略定子漏電感，即L=0，這樣近似認為定子磁通等于氣隙磁通。

在此基礎上，采用了一種矢量補償IR降的方法。

異步電機穩態(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(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，為保證系統的穩定性，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(guò)一個(gè)階慣性環(huán)節(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么化后的標么值計算，這樣會(huì )大大減少計算量。

3 轉差補償

異步電機要產(chǎn)生電磁轉矩，必需要有一定的轉差s，在電機轉速較高的情況下，比如額定轉速，s 在3%左右，那么它的影響可以忽略。在變頻運行的時(shí)候，為了產(chǎn)生同樣的電磁轉矩，s 反比于同步頻率，隨著(zhù)同步頻率的下降，s 將越來(lái)越大;并且當同步頻率低到一定程度時(shí)電機可能會(huì )帶不動(dòng)負載而停止轉動(dòng)，也就是轉差s 在低速時(shí)嚴重影響到電機調速的精度。

通過(guò)電機學(xué)的原理可以知道，異步電機的機械特性在電磁轉矩(TL)最大轉矩(Tm)時(shí)，不同同步轉速下的機械特性近似為一組平行線(xiàn)[2]，也就是說(shuō)為了產(chǎn)生同樣的電磁轉矩，在不同同步頻率下其速度降落基本相同，這就是轉差補償的出發(fā)點(diǎn)。當同步頻率為f0 時(shí)，輸出轉矩T0，速度降落為駐f，為了保證電機轉速f0，就要將同步頻率提高到f0+駐f。

轉差補償的目的是要提高電機的機械特性的硬度，要準確地進(jìn)行轉差補償，就要知道轉差和電磁轉矩之間的函數關(guān)系。在恒Er / f1控制方式下，電機機械特性是直線(xiàn)，因此轉差與電磁轉矩成線(xiàn)性關(guān)系，也就是說(shuō)，在保持轉子磁通幅值不變的條件下，電磁轉矩與轉差頻率成正比。在恒U1 / f1 控制和恒Eg / f1控制下，電磁轉矩與轉差頻率成非線(xiàn)性關(guān)系，但是在電磁轉矩(TL)比最大轉矩(Tm)小較多時(shí)，電磁轉矩與轉差頻率成近似線(xiàn)性關(guān)系，只是恒Eg / f1控制的近似線(xiàn)性段更長(cháng)，而且，由于恒Eg / f1控制在各同步頻率下的最大轉矩(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，在補償定子電阻降落(IR 降)，從而保持Eg / f1恒定的情況下，通?？梢圆捎门c恒Er / f1控制方式下相同的線(xiàn)性補償方法。

采用這種線(xiàn)性補償方法，電磁轉矩距離最大轉矩越近，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)出某一最大轉矩，并且不論負載有多么重(甚至發(fā)生堵轉)，變頻器也不會(huì )跳閘，也就是實(shí)現挖土機特性。由于采用載波水平移相PWM 調制，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，設每個(gè)單元的輸入功率為Pin，則總功率為

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