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        異步電機(jī)V/f調(diào)速輕載振蕩抑制方法研究

        2017-03-09 07:31:21王天雷張京玲賀躍幫顏健毅
        微特電機(jī) 2017年1期
        關(guān)鍵詞:方法系統(tǒng)

        王天雷,張京玲,賀躍幫,王 柱,顏健毅

        (五邑大學(xué),江門 529020)

        異步電機(jī)V/f調(diào)速輕載振蕩抑制方法研究

        王天雷,張京玲,賀躍幫,王 柱,顏健毅

        (五邑大學(xué),江門 529020)

        針對異步電機(jī)V/f控制在空載及輕載狀態(tài)出現(xiàn)的電流振蕩現(xiàn)象,分析得出振蕩原因在于定子無功電流分量振蕩造成的電機(jī)定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩振蕩。在定子電壓矢量定向坐標(biāo)系中,對定子無功電流分量進(jìn)行振蕩抑制,電流和轉(zhuǎn)速得以穩(wěn)定。該方法在通用變頻調(diào)速裝置上由軟件實現(xiàn),不需要額外的硬件成本。實驗結(jié)果驗證所述方法的有效性,目前已應(yīng)用于通用變頻器產(chǎn)品中,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

        異步電機(jī);V/f控制;振蕩抑制

        0 引 言

        目前,異步電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式有恒壓頻比(V/f)控制、矢量控制(VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)、轉(zhuǎn)差頻率控制等方法[1]。VC控制方式雖有較高精度,但其對電機(jī)參數(shù)高度依賴,準(zhǔn)確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈的困難,以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性,通常需另加速度傳感器,因而限制了該方法的實際應(yīng)用。通用變頻調(diào)速技術(shù)雖然控制精度稍差,但該方式不依賴電機(jī)參數(shù),無需速度傳感器,控制方式簡單,易實現(xiàn)等特點[2],在實際工程中應(yīng)用較為普遍。通用設(shè)備,如水泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等由于對轉(zhuǎn)速精度無很高要求,在采用變頻調(diào)速系統(tǒng)中,經(jīng)常是采用V/f控制模式。據(jù)統(tǒng)計,目前市面大約有50%低壓變頻器產(chǎn)品采用V/f控制,其余則采用開環(huán)矢量、閉環(huán)矢量、DTC或其他控制方式[3]。由此可以看出,對通用變頻調(diào)速V/f控制方式的性能進(jìn)行研究改進(jìn),消除空載或輕載振蕩,使其得到更廣泛的應(yīng)用,具有十分重要意義。

        本文研究異步電機(jī)V/f控制空載或輕載振蕩現(xiàn)象進(jìn)行,對定子無功電流分量進(jìn)行振蕩抑制,提高了V/f調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性,實驗結(jié)果驗證所述方法的有效性。

        1 V/f調(diào)速輕載振蕩分析

        采用PWM供電方式,交流異步電機(jī)在輕載或者空載時,往往會在一個較寬的頻段產(chǎn)生局部運行不穩(wěn)定現(xiàn)象。測試與分析均表明,電機(jī)運行在這段時間,出現(xiàn)較大的電流幅值變化和輸出頻率變動,即產(chǎn)生電流振蕩。上述現(xiàn)象可能結(jié)果是系統(tǒng)因為過電流發(fā)生誤報警,導(dǎo)致系統(tǒng)工作時可靠性和穩(wěn)定性下降。產(chǎn)生振蕩原因有很多,如定子電阻、轉(zhuǎn)子慣量、死區(qū)時間、DC濾波電容、載波頻率、系統(tǒng)共振頻率等,比較普遍的觀點是電機(jī)和變頻器在能量交換過程中引起的[4-5]。

        對死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補償后,往往并不能將振蕩徹底抑制。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩時,實時地改變相應(yīng)的輸出頻率或電壓,并通過電流形成一個負(fù)反饋系統(tǒng),是一種有效方法[6]。但由于不同電機(jī)產(chǎn)生振蕩的頻率范圍存在差異,從而限制了該方法適用范圍。此外,該方法還可能導(dǎo)致控制的效果下降,系統(tǒng)的魯棒性降低。文獻(xiàn)[7]提出了一種更為精確、有效智能控制方法,但該方法實現(xiàn)困難,主要原因是硬件條件要求高,比軟件算法較復(fù)雜,難以推廣。

        本文采用的方法是對電機(jī)電流進(jìn)行同步坐標(biāo)變換,將定子電流進(jìn)行分解,直接控制影響能量交換的磁通勵磁電流分量,即分解異步電機(jī)的有功電流分量和無功電流分量,抑制無功電流的振蕩成份,達(dá)到較好的抑制采用V/f調(diào)速時異步電機(jī)時出現(xiàn)的振蕩,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

        2 V/f調(diào)速輕載振蕩的抑制

        2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性方法

        相關(guān)理論分析表明,空載、輕載振蕩主要與無功電流振蕩造成的電機(jī)定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩振蕩有關(guān),通過抑制無功電流振蕩,可以避免電機(jī)振蕩[8]。文獻(xiàn)[9]對無功電流電流振蕩抑制是采用對無功電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)以使無功電流穩(wěn)定的方法。本文采用電壓補償控制方法抑制異步電機(jī)V/f調(diào)速輕載振蕩,基本思路是使無功電流穩(wěn)定,使電機(jī)定子磁鏈穩(wěn)定。具體方法是無功電流增大時減小定子電壓,使無功電流減小,而無功電流減小時增大電機(jī)定子電壓,使無功電流增加,保證感應(yīng)電機(jī)V/f控制系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

        圖1 異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路

        由圖1可以看出異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)電路呈阻感特性,定子電流可以分解為有功分量id和無功分量iq,無功分量滯后有功分量90°。在兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中分析,定義d-q坐標(biāo)系的d軸按定子電壓矢量V定向,在d-q坐標(biāo)系下,定子矢量I滯后電壓矢量V,電流矢量在d-q坐標(biāo)系的兩個分量id,iq分別為有功電流、無功電流,如圖2所示。

        圖2 定子電流矢量分解示意圖

        結(jié)合以上分析可知,電機(jī)穩(wěn)定運行時,iq恒定,而電機(jī)振蕩時,iq振蕩明顯。為抑制電機(jī)振蕩,需提取iq的振蕩成分并通過調(diào)整定子電壓幅值使振蕩成分衰減至0,這是通過下述式(1)和式(2)來實現(xiàn)的。

        通過式(1)可提取iq的振蕩成分Δiq。

        (1)

        圖3 無功電流振蕩分量示意圖

        根據(jù)Δiq對定子電壓幅值進(jìn)行調(diào)整:

        (2)

        式中:V′為V/f曲線輸出電壓,k為振蕩抑制系數(shù)。式(2)中,k>0,結(jié)合圖3,在d-q坐標(biāo)系中,iq<0,式(2)的調(diào)整效果使得:當(dāng)iq幅值增大時(此時Δiq<0)定子電壓幅值減小,使iq幅值往減小方向調(diào)整;當(dāng)iq幅值減小時(此時Δiq>0)定子電壓幅值增大,使iq幅值往增大方向調(diào)整。則式(2)的調(diào)整過程是穩(wěn)定的,調(diào)整的結(jié)果是Δiq趨于0。

        根據(jù)以上分析可以得到帶振蕩抑制措施的V/f調(diào)速系統(tǒng),如圖4所示。因V/f控制無限制起動和制動電流的功能,給定頻率需經(jīng)過給定積分器產(chǎn)生平緩的加速或減速信號;采用空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM),根據(jù)定子電壓矢量的幅值V和相位θ生成6路PWM信號,控制逆變器中的IGBT,完成逆變驅(qū)動。

        圖4 穩(wěn)定化的V/f調(diào)速系統(tǒng)框圖

        感應(yīng)電機(jī)V/f控制系統(tǒng)由硬件驅(qū)動部分和軟件程序部分組成,本文設(shè)計了感應(yīng)電機(jī)通用變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件平臺,該平臺采用了數(shù)字電機(jī)專用芯片DSP(TMS2812)作為主控芯片,并通過軟件實現(xiàn)了在該平臺上的感應(yīng)電機(jī)V/f調(diào)速控制。

        2.2 硬件設(shè)計

        感應(yīng)電機(jī)V/f控制系統(tǒng)硬件主要包括主電路、DSP控制和驅(qū)動電路,此外還包括檢測、保護(hù)、開關(guān)電源和外部接口電路等。采用TMS320F2812作為V/f調(diào)速系統(tǒng)主控芯片。該芯片有32位定點處理器,具有運算能力強和外設(shè)模塊完備等特點,可使驅(qū)動控制器硬件電路的設(shè)計得以簡化,提高系統(tǒng)實時處理能力,滿足各種先進(jìn)控制算法的實現(xiàn)。功率模塊采用富士PIM模塊7MBR50SB-120,該模塊內(nèi)含三相整流器和逆變器,用于不控整流和逆變處理。V/f調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

        圖5 V/f調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖

        2.3 軟件設(shè)計

        軟件設(shè)計主要包括初始化程序和定時中斷程序。初始化程序?qū)SP事件管理器、中斷向量表、I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換器等進(jìn)行設(shè)置,并對變量賦初值。

        本文設(shè)置TMS320F2812事件管理器EVA的定時器T1工作在連續(xù)增/減計數(shù)模式,定時周期為0.1 ms,定時器T1是EVA比較單元的時基,可輸出3組6路PWM信號,在定時器T1下溢中斷服務(wù)程序中執(zhí)行大部分的算法程序都在這部分實現(xiàn),如電流采樣、V/f控制策略、SVPWM的產(chǎn)生等。初始化完成后使能中斷進(jìn)入主循環(huán)等待中斷發(fā)生,定時器T1中斷程序流程如圖6所示。當(dāng)定時器T1下溢中斷到來,啟動A/D轉(zhuǎn)換,采樣定子電流、直流母線電壓等變量,根據(jù)V/f曲線,計算定子電壓矢量幅值和相位,提取無功電流振蕩成分,調(diào)整定子電壓矢量幅值并由SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)生成6路占空比,合成定子電壓矢量,據(jù)此更新定時器T1的比較寄存器。

        圖6 定時中斷程序流程圖

        3 實驗分析

        在5.5 kW的實驗平臺對提出的振蕩抑制方法進(jìn)行了驗證。實驗異步電機(jī)參數(shù)為:額定功率5.5 kW、額定電壓330 V,額定電流13.5 A,極數(shù)4極,額定頻率50 Hz。

        沒有采用振蕩抑制措施時,實驗電機(jī)空載運行,振動頻段大致在18~38Hz。記錄實驗波形如圖7~圖9。圖7為電機(jī)加速過程隨頻率上升進(jìn)入振蕩區(qū),振蕩逐步加劇;圖8為30 Hz運行,振蕩嚴(yán)重;圖9為電機(jī)加速過程隨頻率上升進(jìn)入穩(wěn)定區(qū),振蕩消失。加入振蕩抑制措施后,系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象得到消除,如圖10和圖11,在整個調(diào)速區(qū)間無振蕩現(xiàn)象,電機(jī)運行平穩(wěn)。

        圖7 無振蕩抑制措施15~20 Hz加速過程截圖

        圖8 無振蕩抑制措施30 Hz運行截圖

        圖9 無振蕩抑制措施30~40 Hz加速過程截圖

        圖10 有振蕩抑制措施10~50 Hz加速過程截圖

        圖11 有振蕩抑制措施30 Hz運行截圖

        圖7為未采用無振蕩抑制措施時,實驗電機(jī)在15~20 Hz加速過程,圖8為無振蕩抑制措施30 Hz運行,圖9為無振蕩抑制措施30~40 Hz加速過程,圖10為采用振蕩抑制措施10~50 Hz加速過程,從圖中可看出加入抑制振蕩方法后系統(tǒng)振蕩能得到很好的抑制。圖11為采用振蕩抑制措施30 Hz運行曲線。

        4 結(jié) 語

        本文針對傳統(tǒng)的異步電機(jī)采用V/f控制系統(tǒng)調(diào)速時出現(xiàn)輕載不穩(wěn)定的問題,采用電壓補償控制方法,即在定子電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,將定子電流分解為有功分量和無功分量,根據(jù)無功電流的振蕩成分來調(diào)整定子電壓幅值,有效地抑制了異步電機(jī)V/f調(diào)速輕載振蕩現(xiàn)象,調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

        實驗驗證了本文方法的有效性,空載時,電機(jī)在整個頻率段都能平穩(wěn)運行。目前,本文方法已應(yīng)用于通用變頻器產(chǎn)品中,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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        ResearchontheMethodofV/fSpeedControlofInductionMotorwithLightLoadOscillation

        WANG Tian-lei,ZHANG Jing-ling,HE Yue-bang,WANG Zhu,YAN Jian-yi

        (WuyiUniversity,Jiangmen529020,China)

        Accordingtothecurrentoscillationphenomenonintheno-loadandlightloadcondition,theV/fcontroloftheinductionmotorwasanalyzed,andthereasonofthestatorfluxandtheelectromagnetictorqueoscillationcausedbythestatorreactivecurrentcomponentoscillationwereanalyzed.Inthestatorvoltagevectororientedcoordinatesystem,thestatorreactivecurrentcomponentwassuppressed,andthecurrentandspeedcanbestabilized.Themethodisimplementedonlybysoftwareontheuniversalfrequencyconversiontimingdevice,anddoesnotrequireadditionalhardwarecost.Theexperimentalresultsverifytheeffectivenessofthemethod.Ithasbeenappliedinthegeneralinverterproducts,andhasachievedgoodeconomicbenefits.

        inductionmotor; V/fcontrol;oscillationsuppression

        2016-06-24

        廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃(育苗工程)(2014KQNCX157);五邑大學(xué)2015年度青年科研基金項目(2015zk12)

        TM

        A

        1004-7018(2017)01-0073-04

        王天雷(1981-),男,碩士,講師,主要研究方向為通信與信號處理、電機(jī)驅(qū)動、無損檢測。

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