異步電機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，江門 529020)

異步電機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，江門 529020)

針對異步電機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定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩振蕩。在定子電壓矢量定向坐標系中，對定子無功電流分量進行振蕩抑制，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)濟效益。

異步電機；V/f控制；振蕩抑制

0 引 言

目前，異步電機變頻調(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，但其對電機參數(shù)高度依賴，準確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈的困難，以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復雜性，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、風機和壓縮機等由于對轉(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控制方式的性能進行研究改進，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V/f控制空載或輕載振蕩現(xiàn)象進行，對定子無功電流分量進行振蕩抑制，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)進行補償后，往往并不能將振蕩徹底抑制。當系統(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反饋系統(tǒng)，是一種有效方法[6]。但由于不同電機產(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，該方法還可能導致控制的效果下降，系統(tǒng)的魯棒性降低。文獻[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，比軟件算法較復雜，難以推廣。

本文采用的方法是對電機電流進行同步坐標變換，將定子電流進行分解，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，達到較好的抑制采用V/f調(diào)速時異步電機時出現(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，可以避免電機振蕩[8]。文獻[9]對無功電流電流振蕩抑制是采用對無功電流進行閉環(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定子電壓，使無功電流增加，保證感應(yīng)電機V/f控制系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

圖1 異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路

由圖1可以看出異步電機穩(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坐標系中分析，定義d-q坐標系的d軸按定子電壓矢量V定向，在d-q坐標系下，定子矢量I滯后電壓矢量V，電流矢量在d-q坐標系的兩個分量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，電機穩(wěn)定運行時，iq恒定，而電機振蕩時，iq振蕩明顯。為抑制電機振蕩，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坐標系中，iq<0，式(2)的調(diào)整效果使得：當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V/f調(diào)速控制。

2.2 硬件設(shè)計

感應(yīng)電機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、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行了驗證。實驗異步電機參數(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為電機加速過程隨頻率上升進入振蕩區(qū)，振蕩逐步加??；圖8為30 Hz運行，振蕩嚴重；圖9為電機加速過程隨頻率上升進入穩(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)濟效益。

[1] 陳伯時.高動態(tài)性能交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與演變(Ⅰ)——按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)[J].電力電子,2004,2(1):33-35.

[2] 陳伯時,陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社.2013:64-77.

[3] 熊文凱.感應(yīng)電機控制系統(tǒng)低速性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[4] JANARDHANA IYENGAR R S，SASTRY V V.Oscillations in voltage controlled induction motor drives[C]//Proceedings of the International Conference on Power Electronics Drive Systems.IEEE,1995:123-128.

[5] 王慶義.淺談改善變頻器性能的若干技術(shù)[J].變頻世界，2006(2):11-16.

[6] MUTOH N,UEDA A,SAKAI K,et al.Stabilizing control method for suppressing oscillations of induction motors driven by PWM inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1990,37(1):48-56.

[7] CHOI J W,SIL S K.A new compensation strategy reducing voltage/current distortion in pwm vsi systems operating with low output voltages[J]. IEEE Transactions on Industrial Application,1995,31(9):1001-1008.

[8] 王慶義,尹泉.一種改善VVVF變頻調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性方法[J].電機與控制學報，2007,11(2): 138-142.

[9] 陳偉,楊榮峰,于泳,等.新型感應(yīng)電機V/f控制系統(tǒng)穩(wěn)定性方法[J].電機與控制學報2009,13(S1):11-14.

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、電機驅(qū)動、無損檢測。