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。