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(duì)VVVF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。
背景技術(shù)：
VVVF系統(tǒng)是當(dāng)前使用最為廣泛的變頻器控制系統(tǒng)，根據(jù)用戶選擇的V/F特性可方便地實(shí)現(xiàn)變頻變壓調(diào)速。此類開環(huán)系統(tǒng)盡管存在低速力矩不足、動(dòng)態(tài)響應(yīng)欠佳等缺點(diǎn)，但由于使用時(shí)不依賴于電機(jī)參數(shù)，使用簡單，并可方便實(shí)現(xiàn)多機(jī)拖動(dòng)，因此在風(fēng)機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)上應(yīng)用十分廣泛。圖1示出典型的通用變頻器VVVF控制系統(tǒng)。該類開環(huán)系統(tǒng)中同時(shí)存在固有的不穩(wěn)定性，在某些運(yùn)行頻段，特別是半基頻附近(20Hz～30Hz)，易出現(xiàn)持續(xù)振蕩以至跳閘。在空、輕載運(yùn)行情況下，這一問題尤為突出，限制了此類開環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)速范圍。研究表明，VVVF系統(tǒng)中的振蕩特性與電機(jī)定子電阻、瞬態(tài)漏抗的大小有關(guān)，并與逆變回路的死區(qū)時(shí)間設(shè)置存在密切的關(guān)系。常規(guī)的VSI驅(qū)動(dòng)VVVF系統(tǒng)中，死區(qū)時(shí)間內(nèi)一個(gè)相上下橋臂均處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載側(cè)能量向主回路電容側(cè)回饋，因此穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)仍然存在有功及無功能量的波動(dòng)。這一波動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，在空載、輕載等阻尼較輕的情況下，激發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子持續(xù)振蕩，變頻器輸出電流大幅振蕩，繼而引起跳閘，因此，必須采取措施抑制的振蕩。當(dāng)已知電機(jī)參數(shù)時(shí)，引入速度環(huán)或電流環(huán)來抑制振蕩是容易的；但是VVVF控制的通用變頻器驅(qū)動(dòng)極數(shù)及容量各不相同的感應(yīng)電機(jī)，沒有任何依賴于電機(jī)參數(shù)的調(diào)節(jié)器，此時(shí)要抑制振蕩則較為困難。
從目前的技術(shù)發(fā)展來看，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，主要存在以下幾種振蕩抑制方法1)逆變器直流側(cè)電流檢測，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(dòng)控制有功、無功能量流動(dòng)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(shí)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(shí)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。如圖2所示。這種方法基于以下認(rèn)識(shí)振蕩發(fā)生時(shí)電流矢量相對(duì)電壓矢量相位角出現(xiàn)一定形式的波動(dòng)，因此通過電壓矢量位置角的擾動(dòng)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(dòng)不同功率及極對(duì)數(shù)的電機(jī)時(shí)均能有效。本發(fā)明人對(duì)不同功率電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦證明了這一點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法及裝置，可以在獨(dú)立于相關(guān)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的條件下抑制回路中輕載或空載時(shí)的振蕩問題。
本發(fā)明上述技術(shù)問題的解決基于以下分析電機(jī)運(yùn)行振蕩時(shí)，變頻器輸出側(cè)電流幅值及相位均呈現(xiàn)大幅波動(dòng)，因此，如能通過采樣逆變器母線電壓，對(duì)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，進(jìn)而有效抑制振蕩。
基于這一思想，本發(fā)明這樣解決上述技術(shù)問題，構(gòu)造一種可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法，即一種微分負(fù)反饋電壓矢量相位、幅值協(xié)調(diào)的控制方案，具體包括以下步驟產(chǎn)生參考頻率；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，所述頻率修正量是通過以下步驟產(chǎn)生的檢測逆變器的母線電壓；對(duì)所述的母線電壓作比例一微分變換，得到頻率修正量。
在上述可抑制開環(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。
在上述可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法中，對(duì)所述母線電壓作比例一微分變換，包括以Kp1為比例因數(shù)、以τ1為時(shí)間常數(shù)對(duì)所述母線電壓Udc進(jìn)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(shí)間常數(shù)對(duì)母線電壓Udc進(jìn)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。
在上述可抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩的變頻器控制方法中，τ1》τ2，Kp2＝Kp1。
本發(fā)明另一目的這樣實(shí)現(xiàn)，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，還包括用于采樣逆變器母線電壓的采樣裝置；將母線電壓比例微分變換后，輸出頻率修正量的頻率修正裝置。
在上述可抑制開環(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(hào)，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母線電壓信號(hào)，分別進(jìn)行兩個(gè)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。
在上述可抑制開環(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微分環(huán)節(jié)的時(shí)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，Kpi＝Kp2。
實(shí)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及裝置，由于無須使用電機(jī)參數(shù)，不需要通常的轉(zhuǎn)速及電流調(diào)節(jié)器，通過母線電壓微分反饋控制，有效地解決了VVVF控制系統(tǒng)中存在的振蕩問題。因?yàn)闆]有采用常規(guī)的電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使得系統(tǒng)實(shí)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(shí)踐均表明，本發(fā)明的這種控制方法和裝置簡單而實(shí)用，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中典型通用變頻器VVVF控制系統(tǒng)；圖2是現(xiàn)有技術(shù)基于逆變器輸出電流幅值的控制框圖；圖3是電壓定向的坐標(biāo)系統(tǒng)的示意圖；圖4是母線電容充電電流示意圖；圖5是本發(fā)明的振蕩抑制方法的原理性示意圖；圖6是本發(fā)明的振蕩抑制方法實(shí)施例邏輯框圖；圖7是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的程序流程示意圖；圖8是變頻器載波頻率為6K情況下，電機(jī)空載運(yùn)行在24.70Hz的電流波形圖；圖9是采用本發(fā)明方法后變頻器載波頻率為6K情況下，電機(jī)空載運(yùn)行在24.70Hz的電流波形圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是為解決輕載情況下VVVF系統(tǒng)的振蕩問題，本發(fā)明控制方法及裝置是基于圖3所示的電壓矢量定向的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行。該坐標(biāo)系中，電流矢量與電壓矢量的夾角為功率因數(shù)角。電流矢量在電壓矢量方向的投影即電機(jī)有功電流，而在垂直方向上的投影即電機(jī)無功電流。在運(yùn)行頻率較高時(shí)，電機(jī)有功電流即反映了電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的大小。由于VVVF方式下電機(jī)振蕩運(yùn)行點(diǎn)通常大于5Hz，因此分析時(shí)可以認(rèn)為電流矢量的d軸分量即反映了電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩電流，檢測該分量的變化就能間接的檢測電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)情況。根據(jù)電機(jī)的機(jī)電平衡方程Te-Tl=Jdωrdt---(1)]]>Te＝K1isd(2)由(2)可得ΔTe＝K1Δisd(3)這里假設(shè)負(fù)載恒定，綜合(1)、(3)采用小信號(hào)分析可以得到在穩(wěn)定運(yùn)行平衡點(diǎn)附近有ΔTe=Jdωrdt=K1Δisd---(4)]]>亦即dωrdt=K1JΔisd---(5)]]>顯然，如果運(yùn)行頻率恒定，則有dωsdt=-dωrdt=-K1JΔisd---(6)]]>式中ωs為瞬時(shí)滑差角頻率。
另一方面，如圖4所示，根據(jù)能量守衡原理，直流側(cè)母線電容電流(以放電電流方向?yàn)檎?為idc2=us·isdUdc---(7)]]>
輕載及空載情況下，恒速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，ic≈0，母線電壓基本恒定；出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可以認(rèn)為由于idc2的變化引起ic變化，從而導(dǎo)致母線電壓波動(dòng)，此時(shí)可以得到ΔUdc=-∫0Tsus·ΔisdCdc·Udcdt---(8)]]>式中ω1為定子電角頻率，Ts為母線電壓采樣周期，在該采樣周期內(nèi)近似認(rèn)為Δisd不變，則有ΔUdcTs=-us·ΔisdCdc·Udc---(9)]]>(9)式推導(dǎo)結(jié)果事實(shí)上可以通過以下物理意義進(jìn)行解釋在穩(wěn)定運(yùn)行平衡點(diǎn)附近，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，將能量回饋至直流側(cè)，引起母線電壓上升，此時(shí)需要增加定子運(yùn)行頻率來抑制轉(zhuǎn)速的增加及母線電壓上升；相反，當(dāng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，母線電壓降低，此時(shí)需要降低定子運(yùn)行頻率來抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速減小及母線電壓的降低。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(dòng)，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，母線電壓保持不變，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(shí)最終控制母線電壓相對(duì)穩(wěn)定。
上圖中，系統(tǒng)采樣的母線電壓分別經(jīng)過兩個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)處理后合成為最終的微分處理信號(hào)，這主要是考慮到直接進(jìn)行微分運(yùn)算時(shí)噪聲的影響，系統(tǒng)采用兩個(gè)時(shí)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(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，Kp1＝Kp2，τ1＞＞τ2。
以上控制方案可以通過圖5表示。為抑制開環(huán)系統(tǒng)振蕩，變頻器控制包括這樣一些環(huán)節(jié)產(chǎn)生參考頻率501；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率502；利用修正后的頻率控制脈寬調(diào)制波的相位503；由上述脈寬調(diào)制波控制所述變頻器504；提供進(jìn)行疊加的頻率修正量這樣產(chǎn)生檢測逆變器的母線電壓505；對(duì)所述的母線電壓作比例一微分變換得到頻率修正量506以及由參考頻率產(chǎn)生控制所述脈寬調(diào)制波幅值的電壓的環(huán)節(jié)507。
圖5技術(shù)方案還可以進(jìn)一步用圖6表示對(duì)所述母線電壓作比例一微分變換的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，具體有包括以Kp1為比例因數(shù)、以τ1為時(shí)間常數(shù)對(duì)所述母線電壓Udc進(jìn)行低通濾波變換得到第一調(diào)節(jié)量601；以Kp2為比例因數(shù)、以τ2為時(shí)間常數(shù)對(duì)母線電壓Udc進(jìn)行低通濾波變換得到第二調(diào)節(jié)量602；將上述第一和第二調(diào)節(jié)量進(jìn)行合成，得到頻率修正量603。其中，τ1＞＞τ2，Kp2＝Kp1。
本發(fā)明上述方法可采用軟件實(shí)現(xiàn)，圖7示出了具體實(shí)現(xiàn)的軟件框圖。從流程圖來看其軟件實(shí)現(xiàn)包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)母線電壓采樣(框701)、微分環(huán)節(jié)處理(框702)、頻率調(diào)節(jié)限幅(框703)、頻率調(diào)節(jié)量濾波(框704)以及運(yùn)行頻率更新(框705)。
本發(fā)明的裝置可以采用和圖6和圖7對(duì)應(yīng)的邏輯模塊實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用本發(fā)明上述變頻器控制方法和裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下采用上述方案驅(qū)動(dòng)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(dòng)該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)空載情況下在20~30HZ容易震蕩，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，圖中一格表示10A。
采用上述振蕩抑制方案，變頻器驅(qū)動(dòng)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9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。
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；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，所述頻率修正量是通過以下步驟產(chǎn)生的檢測逆變器的母線電壓；對(duì)所述的母線電壓作比例-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(duì)所述母線電壓作比例-微分變換，包括以Kp1為比例因數(shù)、以τ1為時(shí)間常數(shù)對(duì)所述母線電壓Udc進(jìn)行低通濾波變換得到第一調(diào)節(jié)量的步驟；以KD2為比例因數(shù)、以τ2為時(shí)間常數(shù)對(duì)母線電壓Udc進(jìn)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，還包括用于采樣逆變器母線電壓的采樣裝置；將母線電壓比例微分變換后，輸出頻率修正量的頻率修正裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述可抑制開環(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(hào)，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所述可抑制開環(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母線電壓信號(hào)，分別進(jìn)行兩個(gè)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7所述可抑制開環(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(shí)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
一種采用微分負(fù)反饋電壓矢量相位、幅值協(xié)調(diào)的控制方案對(duì)VVVF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，有以下步驟產(chǎn)生參考頻率；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，頻率修正量是通過以下步驟產(chǎn)生的檢測逆變器的母線電壓；對(duì)所述的母線電壓作比例－微分變換，得到頻率修正量。這種控制方法及裝置，由于無須使用電機(jī)參數(shù)，不需要通常的轉(zhuǎn)速及電流調(diào)節(jié)器，通過母線電壓微分反饋控制，有效解決了控制系統(tǒng)中存在的振蕩問題。因?yàn)闆]有采用常規(guī)的電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使得系統(tǒng)實(shí)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)，簡單而實(shí)用。
文檔編號(hào)H02M7/00GK1505249SQ02152159
公開日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2002年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月3日
發(fā)明者廖海平 申請(qǐng)人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司