CN100574091C - 基于无功电流补偿的电机振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

基于无功电流补偿的电机振荡抑制方法，它涉及抑制通用变频器对电机调速时产生的中频振荡的方法。它克服了现有技术过份依赖电机参数，不适用于通用变频器的缺陷。它通过下述步骤实现：通过三个电流传感器获取逆变桥输出的三相电流信号；对三相电流信号进行坐标变换，从而计算出旋转坐标系下的无功电流；对无功电流滤波；用减法器和PD调节器，对经过滤波的无功电流与参考电流进行减法、比例和微分操作，获得电压调整量；把电压调整量输入电压信号反馈装置，与给定电压信号相减后输入SVPWM信号发生器；SVPWM信号发生器根据电压信号反馈装置的输出电压和积分器输出的电压矢量的旋转角度生成三相正弦调制信号，通过逆变桥驱动电机。

Description

基于无功电流补偿的电机振荡抑制方法

技术领域

本发明属于异步电机调速领域，具体涉及一种抑制通用变频器对电机调速时产生的中频振荡的方法。

背景技术

通用变频器控制技术不依赖电机参数，不需要速度传感器，控制方法简单、容易实现，因此尽管它存在控制精度不高、速度响应慢等问题，但在一些对动态响应要求不高的场合，例如风机、水泵的转速控制中仍得到广泛使用。通用变频器中多采用开环的V/F控制，由于控制系统中没有闭环控制环节，在一定的电磁参数下，正常工作负载范围也可能产生转矩脉动，引起较大的机械振荡，同时电机电流也出现大幅振荡，严重影响变频器和电机的正常使用，缩短电机和其他电气设备的使用寿命。

引起电机振荡的原因很多，例如逆变器死区效应将导致定子电流畸变，使电机转速出现波动；直流母线电容品质也会影响电机的稳定运行；同时，振荡与电机的运行状态也有关，例如在电机中频空载或轻载运行时更容易发生振荡；振荡现象和电机参数也有关系，例如电机电阻、电感和极对数等。

电机振荡时，功率因数角、电流(包括无功和有功电流)均出现大幅振荡，死区补偿不容易准确，甚至可能补偿错误，加重振荡程度，因此仅靠死区补偿难以抑制振荡。如果能够找到一种有效的负反馈机制，对变化量进行相应的抑制，就能达到稳定电机运行的目的。不少文献据此提出了解决方案：有的方案根据直流母线电压微分进行反馈调节，需要额外的直流母线电压检测电路；有的方案通过对输出电流或者输出电流中的有功电流进行微分负反馈调节，调节输出电压的频率，进而实现对转矩的控制，保证转矩的稳定，但是实际操作中发现参数不易调节，并且容易在输出电流中引入较多谐波；有的方案则借鉴了矢量控制的思想，对转差频率进行控制，但是这种方法对电机参数依赖，而且矢量计算复杂，不适用于通用变频器。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无功电流补偿的电机振荡抑制方法，以克服现有技术依赖电机参数，不适用于通用变频器的缺陷。实现本发明的方法基于下述装置：SVPWM信号发生器、逆变桥、坐标变换器、低通滤波器、一号减法器、PD调节器、积分器、二号减法器和三个电流传感器，SVPWM信号发生器的三个输出端分别连接逆变桥三相桥臂的三个控制端，坐标变换器的三个信号输入端各自通过一个电流传感器连接在逆变桥的一个电压信号输出端上，坐标变换器的信号输出端通过低通滤波器连接在一号减法器的负相输入端，一号减法器的输出端通过PD调节器连接在二号减法器的负相输入端，二号减法器的输出端连接SVPWM信号发生器的一个输入端，积分器的输出端分别连接SVPWM信号发生器的另一个输入端和坐标变换器的电压矢量角度输入端。

该方法通过下述步骤实现：一、通过三个电流传感器获取逆变桥输出的三相电流信号；二、对三相电流信号进行坐标变换，从而计算出旋转坐标系下的无功电流i_d；计算过程中利用积分器把给定电压信号的角频率ω积分出电压矢量的旋转角度θ，从而计算无功电流i_d；三、对无功电流i_d滤波；四、用一号减法器和PD调节器，对经过滤波的无功电流i_d与参考电流i_dref进行减法、比例和微分操作，获得电压调整量；五、把电压调整量输入二号减法器，与给定电压信号U相减后输入SVPWM信号发生器；六、SVPWM信号发生器根据二号减法器的输出电压和积分器输出的电压矢量的旋转角度θ生成三相正弦调制信号，通过逆变桥驱动电机。

本发明工作时，二号减法器的正相输入端施加给定电压信号U，逆变桥的直流母线上施加电压U_DC，一号减法器的正相输入端施加给定的参考电流i_dref。

PWM类型电机驱动由于有逆变器开关操作，不可避免的包含发电状态，发电状态的存在是不稳定现象的主要原因，它造成了逆变器电源的不平稳，这种不稳定最终导致了电机振荡。逆变器输入到电机的功率包括有功功率和无功功率，无功功率正是反映了这种发电过程中产生了功率流动，无功功率变化越大，说明逆变器和电机的能量交换越不平衡，电机越容易发生振荡。如果能够稳定无功功率，即稳定无功电流，则能抑制电机振荡。

另外，转矩与气隙主磁通和转子电流的有功分量成正比，即

式中T_e为电磁转矩，φ_M为气隙主磁通，I′₂为转子电流。

电机要稳定运行，就需要保持气隙主磁通恒定。根据电机的T型等效电路，如图3所示，无功电流大部分用来产生气隙主磁通，有功电流大部分产生电磁转矩。无功电流不稳定也说明电机气隙磁通不稳，电机的转矩容易发生脉动。

基于上述发现，本发明提出了稳定电机无功电流的抑制电机振荡的方法。具体做法是稳定无功电流通过一个包含PD调节器的负反馈回路实现。当无功电流减小时，提高逆变器输出电压可提高无功电流；反之，当无功电流增大时，减小逆变器输出电压即可减小无功电流，而当无功电流值稳定于设定值时，说明电机磁通平稳，电机没有发生振荡，逆变器输出电压不再做出调节。上述调节过程为一负反馈调节，通过实时控制，电机无功电流将趋于平稳，气隙主磁通也将保持稳定，从而有效抑制了振荡。由于本发明的调节过程为一个简单的负反馈调节过程，不依赖电机参数，完全适用于通用变频器，具有较大推广价值。本发明的方法能够作为一种抑制电机振荡的控制方法，方便地添加到电机控制系统中。

附图说明

图1是实现本发明方法的装置结构示意图，图2是输入到坐标变换器3中电流的矢量分解示意图，图3是电机的稳态等效电路图，图4是未采用本发明振荡抑制方法的电机定子相电流波形图，图5是采用了本发明振荡抑制方法的电机定子相电流波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式的方法基于下述装置实现：SVPWM信号发生器1、逆变桥2、坐标变换器3、低通滤波器4、一号减法器5、PD调节器6、积分器7、二号减法器8和三个电流传感器9，SVPWM信号发生器1的三个输出端分别连接逆变桥2三相桥臂的三个控制端，坐标变换器3的三个信号输入端各自通过一个电流传感器9连接在逆变桥2的一个电压信号输出端上，坐标变换器3的信号输出端通过低通滤波器4连接在一号减法器5的负相输入端，一号减法器5的输出端通过PD调节器6连接在二号减法器8的负相输入端，二号减法器8的输出端连接SVPWM信号发生器1的一个输入端，积分器7的输出端分别连接SVPWM信号发生器1的另一个输入端和坐标变换器3的电压矢量角度输入端。

该方法通过下述步骤实现：一、通过三个电流传感器9获取逆变桥2输出的三相电流信号；二、对三相电流信号进行坐标变换，从而计算出旋转坐标系下的无功电流i_d；计算过程中利用积分器7把给定电压信号的角频率ω积分出电压矢量的旋转角度θ，从而计算无功电流i_d；电流传感器9采样得到的为三相定子电流i_a、i_b和i_c，也可只检测其中的两相，通过三相电流瞬时电流为0计算得到第三相电流。对采样得到的三相定子电流进行坐标变换可以得到同步旋转坐标系下d-q轴电流，其变换方程为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_q\\ i_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$

同步旋转坐标以定子电压矢量定向，从而实现了有功电流与无功电流的解耦，获得无功电流的测量值i_d，如图2所示。三、对无功电流i_d滤波；通过低通滤波可滤除无功电流i_d中的的毛刺，避免噪声引起的误调节。低通滤波器阶次不能过高，否则延时过长将影响系统的响应速度。四、用一号减法器5和PD调节器6，对经过滤波的无功电流i_d与参考电流i_dref进行减法、比例和微分操作，获得电压调整量；参考电流i_dref可根据电机空载运行情况下的无功电流值设定。一号减法器5和PD调节器6的输出用于调整SVPWM信号的给定电压信号，电机不发生振荡时，无功电流理想情况下为一直流信号，且近似等于参考值i_dref，此时主磁通恒定，无需调整给定电压。当无功电流值i_d小于参考无功电流值i_dref时，以及无功电流变小时，说明磁通过小或者有减小趋势，将提高给定电压信号；反之无功电流大于参考值以及无功电流增大时，说明磁通过大或者有增大趋势，将减小给定电压信号。五、把电压调整量输入二号减法器8，与给定电压信号U相减后输入SVPWM信号发生器1；六、SVPWM信号发生器1根据二号减法器8的输出电压和积分器7输出的电压矢量的旋转角度θ生成三相正弦调制信号，通过逆变桥2驱动电机。

采用本发明上述方案，实验结果如图4和图5所示。电机额定电压380V，额定电流15A，额定功率7.5KW，额定转速1440rpm。空载运行时，在未加调节时输出相电流波形如图4所示，电流出现畸变。采用本发明方案后实验结果如图5所示，电流平稳，有效抑制了电机振荡。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式的不同点是：在第四步骤中，每次PD调节器6输出的电压调整量小于等于电机额定电压的±1％。以避免调整过大引入新的不稳定因素。PD调节器的输出需要双限幅，否则调整量过大容易增加不稳定因素，且影响变频器启动负载性能。

Claims (2)

1、基于无功电流补偿的电机振荡抑制方法，其特征在于实现该方法基于下述装置：SVPWM信号发生器(1)、逆变桥(2)、坐标变换器(3)、低通滤波器(4)、一号减法器(5)、PD调节器(6)、积分器(7)、二号减法器(8)和三个电流传感器(9)，SVPWM信号发生器(1)的三个输出端分别连接逆变桥(2)三相桥臂的三个控制端，坐标变换器(3)的三个信号输入端各自通过一个电流传感器(9)连接在逆变桥(2)的一个电压信号输出端上，坐标变换器(3)的信号输出端通过低通滤波器(4)连接在一号减法器(5)的负相输入端，一号减法器(5)的输出端通过PD调节器(6)连接在二号减法器(8)的负相输入端，二号减法器(8)的输出端连接SVPWM信号发生器(1)的一个输入端，积分器(7)的输出端分别连接SVPWM信号发生器(1)的另一个输入端和坐标变换器(3)的电压矢量角度输入端；

该方法通过下述步骤实现：一、通过三个电流传感器(9)获取逆变桥(2)输出的三相电流信号；二、对三相电流信号进行坐标变换，从而计算出旋转坐标系下的无功电流(i_d)；计算过程中利用积分器(7)把给定电压信号的角频率(ω)积分出电压矢量的旋转角度(θ)，从而计算无功电流(i_d)；三、对无功电流(i_d)滤波；四、用一号减法器(5)和PD调节器(6)，对经过滤波的无功电流(i_d)与参考电流(i_dref)进行减法、比例和微分操作，获得电压调整量；五、把电压调整量输入二号减法器(8)，与给定电压信号(U)相减后输入SVPWM信号发生器(1)；六、SVPWM信号发生器(1)根据二号减法器(8)的输出电压和积分器(7)输出的电压矢量的旋转角度(θ)生成三相正弦调制信号，通过逆变桥(2)驱动电机。

2、根据权利要求1所述的基于无功电流补偿的电机振荡抑制方法，其特征在于在第四步骤中，每次PD调节器(6)输出的电压调整量小于等于电机额定电压的±1％。

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