本發(fā)明涉及異步電機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)，特別是涉及一種異步電機(jī)V/F調(diào)速輕載振蕩抑制方法以及V/F調(diào)速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。異步電機(jī)變頻調(diào)速控制方法可分為：恒壓頻比(V/F)控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式、矢量控制(VC)方式和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式。矢量控制的控制精度較高，能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)性能相媲美，因此，一直受到廣泛的關(guān)注，也是眾多學(xué)者研究的主要方向。但是，矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，嚴(yán)重依賴電機(jī)參數(shù)，且通常需要速度傳感器。與矢量控制變頻調(diào)速控制技術(shù)相比，通用變頻調(diào)速技術(shù)精度相對(duì)較差，但具有不依賴電機(jī)參數(shù)，不需要速度傳感器，控制方法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在工程實(shí)際中，通用變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，目前大部分的變頻調(diào)速系統(tǒng)都采用這樣一種模式，尤其在風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速性能要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。在目前的低壓變頻器控制方式上，產(chǎn)品采用不同調(diào)速方式，其比例大致為：48.2％產(chǎn)品采用V/F控制，25.5％產(chǎn)品采用閉環(huán)矢量控制，15.6％產(chǎn)品采用開(kāi)環(huán)矢量控制，4.8％產(chǎn)品采用DTC控制，其余5.9％采用其他控制方式?？梢?jiàn)，采用V/F控制方式的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)占據(jù)了大部分的市場(chǎng)，如果能對(duì)其部分性能進(jìn)行改善，將使其得到更廣泛的應(yīng)用。

交流電機(jī)在PWM方式供電的條件下在電機(jī)輕載或者空載的時(shí)候由于某些原因電機(jī)會(huì)在一個(gè)比較寬的頻率段系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時(shí)電流幅值波動(dòng)很大，輸出頻率也會(huì)有一定改變，電流的振蕩有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)檫^(guò)電流而誤觸發(fā)報(bào)警，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定可靠的工作。引起振蕩的原因很多，如定子電阻、轉(zhuǎn)子慣量、死區(qū)時(shí)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(diǎn)是電機(jī)和變頻器在能量交換過(guò)程中引起的。

對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償后可以有效的減少振蕩的幅度，但不能從根本上抑制振蕩。現(xiàn)有技術(shù)中一種有效的方法是當(dāng)振蕩發(fā)生時(shí)，相應(yīng)改變實(shí)際輸出的頻率或者電壓，通過(guò)電流形成一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)反饋系統(tǒng)，達(dá)到抑制振蕩的目的[5]。但是這種方法也有一定的局限性。由于不同電機(jī)的振蕩頻率范圍是不一樣的，從5Hz-30Hz左右變化，而采用電流的幅值控制，只是一個(gè)標(biāo)量，這就使得控制的效果不佳，系統(tǒng)的魯棒性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于一種異步電機(jī)V/F調(diào)速輕載振蕩抑制方法以及系統(tǒng)，確保電機(jī)在空載或輕載時(shí)，整個(gè)頻率段都能平穩(wěn)運(yùn)行。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：

一種異步電機(jī)V/F調(diào)速輕載振蕩抑制方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)V/F曲線，計(jì)算定子電壓矢量幅值和相位；

步驟二：采樣定子電流，提取定子電流中的無(wú)功電流振蕩部分，調(diào)整定子電壓矢量幅值；

步驟三：采用空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制，根據(jù)調(diào)整后的定子電壓矢量的幅值和相位，利用SVPWM合成定子電壓矢量，然后生成PWM信號(hào)對(duì)逆變器中的IGBT進(jìn)行控制，完成異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

進(jìn)一步，步驟二具體包括：在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，定義dq坐標(biāo)系的d軸按定子電壓矢量V定向，在dq坐標(biāo)系下，定子電流矢量I滯后電壓矢量V，采集的定子電流矢量在dq坐標(biāo)系的兩個(gè)分量i_d、i_q分別為有功電流、無(wú)功電流；

通過(guò)式(1)提取i_q的振蕩成分Δi_q：

${\mathrm{\Δi}}_q=i_q\frac{1}{1+{\mathrm{\τ}}_{1}s}-i_q\frac{1}{1+{\mathrm{\τ}}_{2}s}---\left(1\right)$

式中，τ₁＜τ₂，時(shí)間常數(shù)為τ₁的低通濾波器主要濾除i_q中的高頻噪聲，時(shí)間常數(shù)為τ₂的低通濾波器除濾除高頻噪聲外還濾除振蕩成分，兩低通濾波后的結(jié)果相減得到i_q的振蕩成分；

根據(jù)Δi_q，通過(guò)式(2)調(diào)整定子電壓幅值：

V＝V′+kΔi_q (2)

式中，V′為V/F曲線輸出電壓值，k為振蕩抑制系數(shù)。

一種應(yīng)用上述方法的V/F調(diào)速系統(tǒng)，包括整流器、逆變器、異步電機(jī)、DSP主控芯片、電流互感器、隔離驅(qū)動(dòng)光耦；

所述整流器的輸入端連接電網(wǎng)，用于將交流電轉(zhuǎn)換成直流電并輸出至逆變器；所述逆變器的輸出端連接異步電機(jī)的輸入端，用于輸出交流電驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)；所述電流互感器的輸入端連接異步電機(jī)的輸入端，用于采樣異步電機(jī)的定子電流；

所述DSP主控芯片內(nèi)含ADC模塊、事件管理器；

所述ADC模塊被配置成接收電流互感器輸出的定子電流的采樣值，并對(duì)采樣值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；

所述事件管理器包括通用定時(shí)器、全比較單元及相關(guān)PWM電路；

其中所述全比較單元及相關(guān)的PWM電路被配置成產(chǎn)生3組6路周期不變但脈寬可變的PWM信號(hào)，調(diào)整全比較單元的比較寄存器的值能夠調(diào)整PWM信號(hào)的脈寬，所述PWM信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)光耦輸出至逆變器，通過(guò)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器的IGBT通斷，進(jìn)而控制逆變電機(jī)；

所述通用定時(shí)器被配置成提供全比較單元及相關(guān)PWM電路時(shí)鐘基準(zhǔn)，并通過(guò)使能其中斷以啟動(dòng)ADC模塊，，在中斷程序中，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成；若完成，則讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；根據(jù)V/A曲線，計(jì)算定子電壓矢量幅值和相位；提取定子電流中的無(wú)功電流振蕩部分，調(diào)整定子電壓矢量幅值；基于SVPWM合成定子電壓矢量，計(jì)算所需PWM信號(hào)的占空比；據(jù)此更新全比較單元的比較寄存器的值，更新PWM信號(hào)的脈寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的V/F調(diào)速控制。

進(jìn)一步，所述通用定時(shí)器被設(shè)置為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，使全比較單元產(chǎn)生對(duì)稱的PWM信號(hào)。

進(jìn)一步，所述通用定時(shí)器被配置成當(dāng)下溢中斷標(biāo)志出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)ADC模塊。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)的V/F調(diào)速系統(tǒng)輕載不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用電壓補(bǔ)償控制方法，在定子電壓定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，將定子電流分解為有功分量和無(wú)功分量，根據(jù)無(wú)功電流的振蕩成分來(lái)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。

附圖說(shuō)明

圖1是異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路；

圖2是定子電流矢量分解示意圖；

圖3是本發(fā)明的V/F調(diào)速系統(tǒng)原理框圖；

圖4是本發(fā)明的V/F調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是中斷程序的流程圖；

圖6是V/F調(diào)速系統(tǒng)振蕩抑制措施15Hz至20Hz加速過(guò)程波形圖；

圖7是V/F調(diào)速系統(tǒng)無(wú)振蕩抑制措施30Hz運(yùn)行波形圖；

圖8是V/F調(diào)速系統(tǒng)無(wú)振蕩抑制措施30Hz-40Hz加速過(guò)程波形圖；

圖9是V/F調(diào)速系統(tǒng)有振蕩抑制措施10Hz-50Hz加速過(guò)程波形圖；

圖10是V/F調(diào)速系統(tǒng)有振蕩抑制措施30Hz運(yùn)行波形圖。

具體實(shí)施方式

異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路如圖1所示，圖中V為定子電壓、I為定子電流，r_s為定子電阻、L_sσ為定子漏感，L_m為互感，L′_rσ為轉(zhuǎn)子漏感(折算到定子側(cè))、r′_r為轉(zhuǎn)子電阻(折算到定子側(cè))，s為轉(zhuǎn)差率。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i_d和無(wú)功分量i_q，無(wú)功分量滯后有功分量90°?？蛰d、輕載振蕩主要與無(wú)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(guò)抑制無(wú)功電流振蕩，可以避免電機(jī)振蕩。對(duì)無(wú)功電流電流振蕩抑制是采用對(duì)無(wú)功電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)以使無(wú)功電流穩(wěn)定的方法。本發(fā)明采用電壓補(bǔ)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(wú)功電流穩(wěn)定，即使電機(jī)定子磁鏈穩(wěn)定。具體方法是無(wú)功電流減小時(shí)增大電機(jī)定子電壓，使無(wú)功電流增加。而無(wú)功電流增大時(shí)減小定子電壓，使無(wú)功電流減小，使異步電機(jī)V/F調(diào)速系統(tǒng)始終運(yùn)行于穩(wěn)定狀態(tài)。

本發(fā)明的一種異步電機(jī)V/F調(diào)速輕載振蕩抑制方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)V/F曲線，計(jì)算定子電壓矢量幅值和相位；

步驟二：采樣定子電流，提取定子電流中的無(wú)功電流振蕩部分，調(diào)整定子電壓矢量幅值；具體地，在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，定義dq坐標(biāo)系的d軸按定子電壓矢量V定向，在dq坐標(biāo)系下，定子電流矢量I滯后電壓矢量V，采集的定子電流矢量在dq坐標(biāo)系的兩個(gè)分量i_d、i_q分別為有功電流、無(wú)功電流，如圖2所示；

通過(guò)式(1)提取i_q的振蕩成分Δi_q：

${\mathrm{\Δi}}_q=i_q\frac{1}{1+{\mathrm{\τ}}_{1}s}-i_q\frac{1}{1+{\mathrm{\τ}}_{2}s}---\left(1\right)$

式中，τ₁＜τ₂，時(shí)間常數(shù)為τ₁的低通濾波器主要濾除i_q中的高頻噪聲，時(shí)間常數(shù)為τ₂的低通濾波器除濾除高頻噪聲外還濾除振蕩成分，兩低通濾波后的結(jié)果相減得到i_q的振蕩成分；

根據(jù)Δi_q，通過(guò)式(2)調(diào)整定子電壓幅值：

V＝V′+kΔi_q (2)

式中，V′為V/F曲線輸出電壓值，k為振蕩抑制系數(shù)。

步驟三：采用空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制，根據(jù)調(diào)整后的定子電壓矢量的幅值和相位，利用SVPWM合成定子電壓矢量，然后生成PWM信號(hào)對(duì)逆變器中的IGBT進(jìn)行控制，完成異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)上述的方法可以得到帶振蕩抑制措施的V/F調(diào)速系統(tǒng)。因V/F控制無(wú)限制起動(dòng)和制動(dòng)電流的功能，給定頻率需經(jīng)過(guò)給定積分器產(chǎn)生平緩的加速或減速信號(hào)；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(hào)，控制逆變器中的IGBT，完成逆變驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。

所述V/F調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)具體包括整流器、逆變器、異步電機(jī)、DSP主控芯片、電流互感器、隔離驅(qū)動(dòng)光耦，如圖4所示。

所述整流器的輸入端連接電網(wǎng)，用于將交流電轉(zhuǎn)換成直流電并輸出至逆變器；所述逆變器的輸出端連接異步電機(jī)的輸入端，用于輸出交流電驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)；所述電流互感器的輸入端連接異步電機(jī)的輸入端，用于采樣異步電機(jī)的定子電流。

所述DSP主控芯片型號(hào)為T(mén)MS320F2812，其內(nèi)含ADC模塊、事件管理器EVA。

所述ADC模塊被配置成接收電流互感器輸出的定子電流的采樣值，并對(duì)采樣值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

所述事件管理器EVA包括通用定時(shí)器、全比較單元及相關(guān)PWM電路。

所述全比較單元及相關(guān)的PWM電路被配置成產(chǎn)生3組6路周期不變但脈寬可變的PWM信號(hào)，調(diào)整全比較單元的比較寄存器的值能夠調(diào)整PWM信號(hào)的脈寬，所述PWM信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)光耦輸出至逆變器，通過(guò)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器的IGBT通斷，進(jìn)而控制逆變電機(jī)。

所述通用定時(shí)器被配置成提供全比較單元及相關(guān)PWM電路時(shí)鐘基準(zhǔn)，并通過(guò)使能其中斷以啟動(dòng)ADC模塊，在中斷程序中，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成；若完成，則讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；根據(jù)V/A曲線，計(jì)算定子電壓矢量幅值和相位；提取定子電流中的無(wú)功電流振蕩部分，調(diào)整定子電壓矢量幅值；基于SVPWM合成定子電壓矢量，計(jì)算所需PWM信號(hào)的占空比；據(jù)此更新全比較單元的比較寄存器的值，更新PWM信號(hào)的脈寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的V/F調(diào)速控制，如圖5所示。

所述通用定時(shí)器被設(shè)置為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，使全比較單元產(chǎn)生對(duì)稱的PWM信號(hào)。

所述通用定時(shí)器被配置成當(dāng)下溢中斷標(biāo)志出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)ADC模塊。

為驗(yàn)證振蕩抑制方法的有效性，在5.5kW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)異步電機(jī)參數(shù)為：額定功率5.5kW、額定電壓330V、額定電流13.5A、極數(shù)4極、額定頻率50Hz。

未采用振蕩抑制措施時(shí)，實(shí)驗(yàn)電機(jī)空載運(yùn)行，振動(dòng)頻段大致在18Hz～38Hz。記錄實(shí)驗(yàn)波形如圖6-圖8。圖6為電機(jī)加速過(guò)程隨頻率上升進(jìn)入振蕩區(qū)，振蕩逐步加劇；圖7為30Hz運(yùn)行，振蕩嚴(yán)重；圖8為電機(jī)加速過(guò)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9和圖10，在整個(gè)調(diào)速區(qū)間無(wú)振蕩現(xiàn)象，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖6為未采用無(wú)振蕩抑制措施時(shí)，實(shí)驗(yàn)電機(jī)在15Hz至20Hz加速過(guò)程，圖7無(wú)振蕩抑制措施30Hz運(yùn)行，圖8無(wú)振蕩抑制措施30Hz-40Hz加速過(guò)程，圖9為采用振蕩抑制措施10Hz-50Hz加速過(guò)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10為采用振蕩抑制措施30Hz運(yùn)行曲線。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明能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。

以上所述，只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，只要其以相同的手段達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。