專利名稱：可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻器控制技術(shù)，具體涉及一種可對VVVF(變壓變頻)開環(huán)系統(tǒng)中空載或輕載情況下的振蕩進(jìn)行抑制的變頻器控制方法及裝置。
從目前的發(fā)展技術(shù)來看，通用變頻器中無須電機(jī)參數(shù)，在不引入任何與之相關(guān)的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的條件下，對振蕩進(jìn)行抑制的方法主要有以下幾種1)逆變器直流側(cè)電流檢測，其原理框圖如圖2所示。根據(jù)直流側(cè)電流的方向判斷振蕩是否存在，并通過頻率調(diào)節(jié)主動控制有功、無功能量流動來抑制振蕩。這種方法由于需要檢測直流側(cè)電流，因此必須在直流側(cè)串接采樣電阻，同時增加相應(yīng)的振蕩鑒別電路。這一方案在通常直接檢測交流側(cè)輸出電流的變頻器中無法實現(xiàn)。2)直接根據(jù)變頻器交流側(cè)輸出電流幅值變化，通過微分負(fù)反饋控制進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，依此進(jìn)行振蕩抑制。該方法基于以下認(rèn)識振蕩發(fā)生時電流矢量相對電壓矢量相位角出現(xiàn)一定形式的波動，因此通過電壓矢量位置角的擾動來抑制電流矢量相位的變化。這種方法缺乏嚴(yán)格的理論證明，無法保證在驅(qū)動不同功率及極對數(shù)的電機(jī)時均能有效。本發(fā)明人對不同功率電機(jī)的實驗結(jié)果亦證明了這一點。分析表明，電機(jī)運(yùn)行振蕩時，變頻器輸出側(cè)電流幅值及相位均呈現(xiàn)大幅波動，因此如能對電流幅值及相位的進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆答伩刂?，亦即通過變頻器輸出電壓、頻率的協(xié)調(diào)控制，就能有效抑制振蕩。
本發(fā)明上述技術(shù)問題這樣解決，構(gòu)造一種可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法，包括以下步驟產(chǎn)生參考頻率；檢測變頻器輸出端電流的幅值和相位；產(chǎn)生頻率修正量；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率；利用修正后的頻率控制脈寬調(diào)制波的相位；由上述脈寬調(diào)制波控制所述變頻器；其特征在于，產(chǎn)生頻率修正量包括以下步驟在電壓定向坐標(biāo)系中，分解上述檢測得到的電流幅值和相位，得到直軸、交軸分量；將直軸分量和交軸分量一階低通濾波后得到有功電流分量；對所述有功電流分量作比例—微分變換，得到頻率修正量。
在上述按照本發(fā)明的可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法中，還包括由所述參考頻率產(chǎn)生控制所述脈寬調(diào)制波幅值的電壓的步驟。
在上述按照本發(fā)明的可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法中，對所述有功電流分量作比例—微分變換，包括以Kp1為比例因數(shù)、以τ1為時間常數(shù)對所述有功電流分量id進(jìn)行低通濾波得到第一調(diào)節(jié)量的步驟；以Kp2為比例因數(shù)、以τ2為時間常數(shù)對所述有功電流分量id低通濾波得到第二調(diào)節(jié)量的步驟；將第一和第二調(diào)節(jié)量進(jìn)行合成，得到頻率修正量。
在上述按照本發(fā)明的可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法中，τ1》τ2，Kp2＝Kp1。
本發(fā)明另一技術(shù)問題這樣解決，構(gòu)造一種可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置，包括參考頻率產(chǎn)生裝置；用于采樣變頻器輸出端電流幅值和相位的采樣裝置；對采樣裝置的輸出電流信號進(jìn)行運(yùn)算得到頻率修正量的調(diào)節(jié)裝置；用于將參考頻率與頻率修正量疊加的加法器；根據(jù)修正后的頻率控制逆變器的脈寬調(diào)制器，所述調(diào)節(jié)裝置包括在電壓定向坐標(biāo)系中，將上述輸出電流信號分解，得到直軸分量和交軸分量的坐標(biāo)分解裝置；輸出有功電流分量的低通濾波裝置；將有功電流分量比例微分變換后，輸出頻率修正量的頻率修正裝置。
在上述按照本發(fā)明提供的可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置中，還包括接收參考頻率信號，產(chǎn)生控制脈寬調(diào)制器控制電壓的電壓轉(zhuǎn)換裝置。
在上述按照本發(fā)明提供的可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置中，所述頻率修正裝置包括接收有功電流分量信號，分別進(jìn)行兩個不同時間常數(shù)的低通濾波變換，并輸出第一頻率修正量、第二頻率修正量的第一頻率修正裝置和第二頻率修正裝置；將第一頻率修正量和第二頻率修正量相加，輸出頻率修正量的第二加法器。
在上述按照本發(fā)明提供的可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置中，所述第一、第二頻率修正裝置中低通濾波環(huán)節(jié)的時間系數(shù)分別為τ1和τ2，比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù)分別為Kp1和Kp2，其中τ1》τ2，Kp1＝Kp2。
實施本發(fā)明提供的可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法和裝置，由于無須電機(jī)參數(shù)，只是通過電壓矢量相位、幅值的協(xié)調(diào)控制，十分有效地解決了VVVF控制系統(tǒng)中存在的空載或輕載時的振蕩問題。因為沒有采用常規(guī)的電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使得系統(tǒng)的實現(xiàn)十分簡單，魯棒性強(qiáng)，可以適應(yīng)不同種類的感應(yīng)電機(jī)，理論分析及實踐均表明，上述振蕩抑制的方法簡單而實用。
另一方面，電機(jī)轉(zhuǎn)子速度為ωr＝ω1-ωs(7)式中ω1為定子電角頻率。
為保證電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，顯然有dω1dt=-K1JΔisd---(8)]]>(8)式推導(dǎo)結(jié)果事實上可以通過以下物理意義進(jìn)行解釋由于在電壓矢量定向的坐標(biāo)系控制系統(tǒng)中，直軸電流的波動近似反映了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，振蕩狀態(tài)下轉(zhuǎn)速波動由電磁轉(zhuǎn)矩的變化引起，因此根據(jù)轉(zhuǎn)矩波動的檢測可以獲得當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況。在平衡點附近，當(dāng)直軸電流增加時，意味著電磁轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，此時需要降低定子運(yùn)行頻率來抑制轉(zhuǎn)速的增加；相反，當(dāng)直軸電流減小時，意味著電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，此時需要提高定子運(yùn)行頻率來抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速的減小。通過這一微分負(fù)反饋控制，有效的抑制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，從而避免了輕空載狀態(tài)下的不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)下，直軸電流保持不變，電磁轉(zhuǎn)矩始終與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，頻率調(diào)節(jié)不起作用。以上控制基本思想是控制電機(jī)轉(zhuǎn)子速度穩(wěn)定，同時最終控制定子電壓、電流矢量相對相位穩(wěn)定。
圖4示出了基于以上思想形成的新控制方法的原理性結(jié)構(gòu)示意圖，如該圖所示，兩相采樣電流U和V在電壓定向坐標(biāo)系中映射為直軸、交軸分量(圖3)，LPF為一階低通濾波環(huán)節(jié)，經(jīng)過低通濾波后得到電流矢量直軸分量id，即電機(jī)運(yùn)行有功電流分量?？紤]到直接進(jìn)行微分運(yùn)算時噪聲的影響，系統(tǒng)采用兩個時間常數(shù)不同的低通濾波環(huán)節(jié)處理后合成獲得頻率調(diào)節(jié)量。實際系統(tǒng)設(shè)計時，Kp1＝Kp2，τ1》τ2。需要指出的是，系統(tǒng)在頻率調(diào)節(jié)的同時，未改變指令電壓值，這主要是基于如下考慮當(dāng)有功電流增加時，根據(jù)以上控制策略，電機(jī)運(yùn)行頻率下降，而指令電壓未變，電機(jī)磁通增加，有助于有功電流的下降，起到負(fù)反饋的作用；反之亦然。在圖4示出的原理性框圖中，有參考頻率產(chǎn)生裝置401、合信號成器402、PWM脈寬調(diào)制控制器403、逆變器404、V/F單元405、逆變器406、負(fù)載407、采樣裝置408、坐標(biāo)分解裝置409、低通濾波裝置410和頻率調(diào)節(jié)裝置411，其中，參考頻率產(chǎn)生裝置401用于產(chǎn)生參考頻率；采樣裝置408用于檢測變頻器輸出端電流的幅值和相位；坐標(biāo)分解裝置409用于在定向坐標(biāo)系中分解上述檢測得到的電流幅值和相位，得到直軸、交軸分量；低通濾波裝置410用于將直軸分量和交軸分量一階低通濾波后得到有功電流分量；頻率調(diào)節(jié)裝置411用于對所述有功電流分量作比例—微分變換，得到第一頻率修正量。合信號成器402用于將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率；PWM脈寬調(diào)制控制器403利用修正后的頻率控制脈寬調(diào)制波的相位，由上述脈寬調(diào)制波控制所述變頻器406，逆變器406的輸出驅(qū)動負(fù)載407。
在圖5示出的詳細(xì)說明實現(xiàn)圖4框圖的一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖中，包括參考信號發(fā)生單元501、信號合成器502、PWM控制單元503、V/F單元504、VSI逆變單元505、負(fù)載506、坐標(biāo)分解單元507、LPF單元508、比例微分單元509和510以及信號合成單元511。其中，參考信號發(fā)生單元501用于產(chǎn)生參考頻率；坐標(biāo)分解單元507用于將檢測到的變頻器505輸出端電流的幅值和相位，在定向坐標(biāo)系中加以分解；LPF單元508用于將直軸分量和交軸分量一階低通濾波后得到有功電流分量；比例微分單元510用于Kp1為比例因數(shù)、以τ1為時間常數(shù)對有功電流分量id進(jìn)行低通濾波變換得到第一調(diào)節(jié)量，比例微分單元509用于以Kp2為比例因數(shù)、以τ2為時間常數(shù)對有功電流分量id進(jìn)行低通濾波變換得到第二調(diào)節(jié)量，信號合成單元511用于將第一和第二調(diào)節(jié)量進(jìn)行合成，得到頻率修正量。作為一個示例，可選擇τ1》τ2，Kp2＝Kp1。
本發(fā)明上述控制方法的軟件實現(xiàn)十分方便，圖6示出了具體實現(xiàn)的軟件流程圖。如圖所示，開始于框601，在框602中計算id(k)，在框603中，進(jìn)行微分環(huán)節(jié)處理；在框604中，進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)量限幅，在框605中，計算id(k)→id(k-1)；在框606中，對當(dāng)前運(yùn)行頻率進(jìn)行更新，最后在框607返回。
采用本發(fā)明上述方案驅(qū)動和控制一變頻電機(jī)，該電機(jī)參數(shù)如下額定電壓380V，額定電流24A，額定功率7.5KW，額定轉(zhuǎn)速1165rpm，額定運(yùn)行頻率60HZ。若無任何振蕩抑制措施，VVVF系統(tǒng)驅(qū)動該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)空載情況下在20~30HZ容易震蕩，圖7為變頻器載波頻率為6K情況下，電機(jī)空載運(yùn)行在24.70HZ的電流波形，圖中的一格表示10A電流。采用本發(fā)明的上述振蕩抑制的控制方法的變頻器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)空載情況下在1~60HZ運(yùn)行平穩(wěn)，圖8為變頻器載波頻率為6K情況下，電機(jī)空載運(yùn)行在24.70HZ的電流波形，圖中的一格表示10A電流。從兩個圖對比來看，本發(fā)明的方法對振蕩有很好抑制效果，有效地抑制了此類系統(tǒng)空、輕載運(yùn)行時的不穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法，包括以下步驟產(chǎn)生參考頻率；檢測變頻器輸出端電流的幅值和相位；產(chǎn)生頻率修正量；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率；利用修正后的頻率控制脈寬調(diào)制波的相位；由上述脈寬調(diào)制波控制所述變頻器；其特征在于，產(chǎn)生頻率修正量包括以下步驟在電壓定向坐標(biāo)系中，分解上述檢測得到的電流幅值和相位，得到直軸、交軸分量；將直軸分量和交軸分量一階低通濾波后得到有功電流分量；對所述有功電流分量作比例—微分變換，得到頻率修正量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法，其特征在于，還包括由所述參考頻率產(chǎn)生控制所述脈寬調(diào)制波幅值的電壓的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法，其特征在于，對所述有功電流分量作比例—微分變換，包括以Kp1為比例因數(shù)、以τ1為時間常數(shù)對所述有功電流分量id行低通濾波變換得到第一調(diào)節(jié)量的步驟；以Kp2為比例因數(shù)、以τ2為時間常數(shù)對所述有功電流分量id行低通濾波變換得到第二調(diào)節(jié)量的步驟；將第一和第二調(diào)節(jié)量進(jìn)行合成，得到頻率修正量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法，其特征在于，τ1》τ2，Kp2＝Kp1。
5.一種可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置，包括參考頻率產(chǎn)生裝置；用于采樣變頻器輸出端電流幅值和相位的采樣裝置；對采樣裝置的輸出電流信號進(jìn)行運(yùn)算得到頻率修正量的調(diào)節(jié)裝置；用于將參考頻率與頻率修正量疊加的加法器；根據(jù)修正后的頻率控制逆變器的脈寬調(diào)制器；其特征在于，所述調(diào)節(jié)裝置包括在電壓定向坐標(biāo)系中，將上述輸出電流信號分解，得到直軸分量和交軸分量的坐標(biāo)分解裝置；輸入直軸分量和交軸分量輸出有功電流分量的低通濾波裝置；將有功電流分量比例微分變換后，輸出頻率修正量的頻率修正裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置，其特征在于，還包括接收參考頻率信號，產(chǎn)生控制脈寬調(diào)制器控制電壓的電壓轉(zhuǎn)換裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置，其特征在于，所述頻率修正裝置包括接收有功電流分量信號，分別進(jìn)行兩個不同的低通濾波變換，并輸出第一頻率修正量、第二頻率修正量的第一頻率修正裝置和第二頻率修正裝置；將第一頻率修正量和第二頻率修正量相加，輸出頻率修正量的第二加法器。
8.如權(quán)利要求6所述開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制裝置，其特征在于所述第一、第二頻率修正裝置中微分環(huán)節(jié)的時間系數(shù)分別為τ1和τ2，比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù)分別為Kp1和Kp2，其中τ1》τ2，Kp1＝Kp2。
全文摘要
一種可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法及裝置，包括以下環(huán)節(jié)產(chǎn)生參考頻率；檢測變頻器輸出端電流的幅值和相位；產(chǎn)生頻率修正量；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率；利用修正后的頻率控制脈寬調(diào)制波的相位；由上述脈寬調(diào)制波控制所述變頻器；其中，產(chǎn)生頻率修正量包括在電壓定向坐標(biāo)系中，分解上述檢測得到的電流幅值和相位，得到直軸、交軸分量；將直軸分量和交軸分量一階低通濾波后得到有功電流分量；對所述有功電流分量作比例一微分變換，得到頻率修正量。這種控制方法及裝置無須電機(jī)參數(shù)，只是通過電壓矢量相位、幅值的協(xié)調(diào)控制，有效地抑制了空載或輕載時的振蕩。由于沒有采用常規(guī)的電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使得其實現(xiàn)十分簡單，魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)面廣，簡單而實用。
文檔編號H02P21/00GK1417937SQ0215196
公開日2003年5月14日 申請日期2002年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月9日
發(fā)明者廖海平, 龔春文, 姜仲文 申請人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司