CN101232270A - 交流变频器的变频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交流变频器的变频控制方法。在磁通跟踪脉宽调制实现磁通和转矩的双闭环控制过程中导入基波降音调控制，即载波自动调制技术，它的控制如下：检测逆变器与电动机之间的电压和电流物理量，到变换器计算后送入基波控制器，经计算脉冲宽度调制的基频幅宽后控制磁链和电磁转矩比较器，实现载频与脉宽的自动调制。本发明采用磁通矢量加直接转矩控制模式，并在磁通跟踪脉宽调制实现磁通和转矩的双闭环过程中导入基波降音调控制技术，使转矩的动态和稳态性能都得到改善，变频器在5～6Hz输出时，可实现200％额定扭矩的转矩输出。

Description

交流变频器的变频控制方法
技术领域
本发明涉及一种交流变频器的变频控制方法。
背景技术
变频调速器，它的技术性能的评价，主要体现在它所采用的控制技术模式。变频器的控制模式是针对频率、电压、磁通、电磁转矩等参数之间的配合控制方式，目前主要的控制模式有V/f模式、矢量控制模式和直接转矩控制模式三大类。采用V/f控制模式的变频器，由于低频率下磁通衰减导致同样定子电流下电磁转矩降低，转矩输出达不到额定扭矩；采用矢量控制模式的变频器，虽然稳态性能好，但转矩动态性能差，也难以输出达到额定扭矩的转矩，当采用这两种模式的变频调速器控制电动机应用在位能式负载或反抗性恒转矩负载等场合下，会存在着起动困难，难以起动甚至不能使用的弊端。而采用直接转矩控制模式的变频器，转矩动态性能好，但稳态性能差。
发明内容
本发明的目的是提供一种使转矩的动态和稳态性能都得到改善，变频器在低频输出时，可实现大转矩输出的交流变频器的变频控制方法。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明所述的交流变频器的变频控制方法，在磁通跟踪脉宽调制实现磁通和转矩的双闭环控制过程中导入基波降音调控制，即载波自动调制技术，它的控制如下：检测逆变器与电动机之间的电压和电流物理量，到变换器计算后送入基波控制器，经计算脉冲宽度调制的基频幅宽后控制磁链和电磁转矩比较器，实现载频与脉宽的自动调制。
本发明采用磁通矢量加直接转矩控制模式，并在磁通跟踪脉宽调制实现磁通和转矩的双闭环过程中导入基波降音调控制技术，使转矩的动态和稳态性能都得到改善，变频器在5～6Hz输出时，可实现200％额定扭矩的转矩输出。
附图说明
图1是本实用新型一个实施例的控制方案结构框图，
图2是脉冲宽度调制中断控制子程序框图；
图3是定子电压空间矢量图；
图4是电磁转矩的控制原理图；
图5是变频调速器的主回路拓扑结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的交流变频器的变频控制方法，在磁通跟踪脉宽调制实现磁通和转矩的双闭环控制过程中导入基波降音调控制，即载波自动调制技术，它的控制如下：检测逆变器DQ与电动机M之间的电压U和电流i物理量，到变换器β计算后送入基波控制器fc，经计算脉冲宽度调制PWM的基频幅宽后控制磁链和电磁转矩比较器Lt，实现载频与脉宽的自动调制。
其中，脉冲宽度调制PWM中断控制子程序如图2所示。
A、基本原理
建立定子磁链的电流模型和电磁转矩模型，利用电压空间矢量的开关状态切换，采用滞环控制方式来实现对磁通和电磁转矩的分别控制。利用逆变器可测量的物理量，实现载波频率在磁通和转矩控制过程中的自动闭环调整，以达到转矩提升的快速响应。这就是基于磁通电流矢量加直接转矩控制的基本原理。
B、附图1的控制方案结构框图
图1中Ie为定子磁链的电流模型，Te为电磁转矩模型，Y1、Y2为滞环比较器，β为变换器，fc为基波控制器，Lt为磁链和电磁转矩比较器，Ki为开关状态控制器，DQ为逆变器，M为电动机，u、i为可测量的电压、电流值，β为坐标变换单元，Di为磁链滞环比较器状态，Dt为转矩滞环比较器状态。
C、电压空间矢量建立
在电压源型的交—直—交变频器中，母线直流电压都是不变的，通过逆变器变换单元以不同的开关组合通入交流电动机定子后，由于绕组空间布置位置不同，产生了不同的空间电压矢量。而在逆变器单元中，为防止短路，三相桥臂的每一相在任何时候只能够导通上下桥臂中的一个，而为了三相平衡，每个桥臂在任何时候总会有一个且只有一个器件导通，三相的导通组合是2的立方，即8种组合。如果把上下桥臂分别用1和0表示，那么8种组合是000、100、110、010、011、001、101和111。其中第一位代表U相，第二位代表V相，第三位代表W相，如100就代表U相上桥臂导通，另两相下桥臂导通。在这8种组合中，000和111代表三相绕组接在同一极上，电压矢量互相抵消而合成矢量为零。另外6种则是有效的电压空间矢量，其中100与U相绕组轴向相一致，011则正好大小相等方向相反；010与V相一致，101正相反；001与W相一致，110正相反。六个有效矢量大小相等，方向互差60度。因此定子电压空间矢量如图3。
D、直接转矩控制过程
直接转矩控制采用滞环比较法，因此电磁转矩是在正偏差和负偏差之间往复波动的。如图4所示。图中Ta代表差拍时间，Tb代表转矩提升时间。
由交流电动机特性可知，电磁转矩与转子电流成正比，而转子电流则受转子电动势影响，转子电动势与转速成正比，在稳态时，转子电流由转子电动势和转子阻抗决定，在动态时，转子电流在电磁惯性影响下，根据电动势变化，变化率与电动势的瞬间值有关。因此，转子与定子磁链的瞬间转速差决定转子电动势大小，从而影响转子电流变化，并最终影响到电磁转矩的变化斜率。
在变频调速器控制电动机的调速系统中，由于电压空间矢量是常矢量，在有效电压空间矢量作用下，磁链沿直流变化，线速度不变。它产生的角速度大于转子转速，其转速差导致转矩增加。以变频调速器输出频率为6Hz为例，负载情况下，变频调速器直流母线电压略低于交流电压峰值，取其等于0.97Umax；有效电压空间矢量的幅值为2倍直流母线电压；按照图3所示，有效电压空间矢量与扇区内磁链切线方向的夹角变化范围为0°～60°，平均夹角为30°，其切线方向投影系数为0.866；另外，工频正弦交流电三相电压的合成矢量为单相电压峰值的1.5倍，它激励的旋转磁场幅值为Umax，其角速度对应于50Hz；因此可知有效电压矢量作用下磁链角速度的平均等效频率为
f＝50×0.97Umax×2×0.866/1.5Umax≈56Hz
在转子处于6Hz频率的低频转矩时，有效电压空间矢量作用时与转子的转速差为56Hz-6Hz＝50Hz，零矢量作用时，转速差即为转子转速，即6Hz，这时转矩的提升斜率大，下降斜率小，转矩提升响应速度时间加快，使低频转矩的输出能力加强。但相对应的低速转矩下降的响应速度变慢，差拍时间变长，使载频频率变低，开关频率低则噪声音调低而音量大，相应的输出侧谐波偏大。
在实际的工程应用中，由于本磁通电流矢量型变频调速器产品，在低频输出时，转矩的提升斜率大，响应速度快，使它在电动机的位能式负载和反抗性恒转矩负载的应用中有相近或相似的机械特性，起动控制性能好。而应用在二次方转矩负载场合，为适用二次方的减转矩特性，必须相应的增加加速时间来实现机械特性的相近。
E、变频调速器结构
变频调速器的主回路拓扑结构，按它的结构控制方式可分为电流源型拓扑和电压源型拓扑两种结构，电流源型拓扑结构技术难度大，成本相对较高；电压源型拓扑结构简单、成本低、故障率低。
根据以上两种结构特点选用电压源型的交—直—交电路拓扑，结构如图5所示
在图5中，三相交流电源通过R、S、T端输入到整流器A/D中，使交流变成直流，经平波单元C滤波后，送入逆变器单元D/A，在微处理器MCU控制下，输出电压和频率可调的交流控制电动机M实施调速运行，在运行中通过采样变换单元D实施运行参数的采样处理，送入MCU中，以实现过程参量的自闭环调整，开关电源DC作为内部系统的电源供给单元。
MCU作为实施磁通矢量加直接转矩的核心，它的基本构成如图5所示
本实施例采用磁通矢量加直接转矩DTC控制技术，结合电压源型交—直—交电路拓扑结构而研制的磁通电流矢量型变频调速器，用于交流380V电压，功率1.5kW-600kW等级范围内形成了与普通异步电动机功率相匹配的系列产品，可广泛应用到工业现场的电动机的调速控制中。

Claims (1)

  1. 交流变频器的变频控制方法，其特征在于：在磁通跟踪脉宽调制实现磁通和转矩的双闭环控制过程中导入基波降音调控制，即载波自动调制技术，它的控制如下：检测逆变器(DQ)与电动机(M)之间的电压(U)和电流(i)物理量，到变换器(β)计算后送入基波控制器(fc)，经计算脉冲宽度调制(PWM)的基频幅宽后控制磁链和电磁转矩比较器(Lt)，实现载频与脉宽的自动调制。
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