CN103731041B - 交交变频装置电流断续非线性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交交变频装置电流断续非线性补偿方法，包括步骤：步骤1：得到ALP整定值；步骤2：得到VCI整定值；步骤3：根据电流断续程度计算出触发补偿角Δα；步骤4：按照电流连续时的电压控制方法计算出的触发延迟角α^*；步骤5：将触发补偿角Δα与触发延迟角α^*相加，得到最终的触发延迟角α，送至触发装置。本发明优点为：(1)有效地减小了电流断续状态下出现的电压畸变，消除了电压谐波；(2)相较于分段线性补偿方法，本发明精度更高、可以在电流断续阶段实时、精确地进行电流断续补偿，大大消除了交交变频装置输出电压在过零处附近的谐波；(3)简单易行，特别适用于现在常用的数字控制器。

Description

交交变频装置电流断续非线性补偿方法

技术领域

本发明涉及一种电流断续补偿方法，特别涉及一种交交变频装置电流断续非线性补偿方法。

背景技术

目前，应用于大功率同步电动机调速领域的电力电子变换器为晶闸管交交变频器、晶闸管负载换流交直交变频器和IGBT／IGCT交直交变频器。交交变频传动是一种在大功率(1000kW以上)低速(600r／min以下)范围内广泛采用的交流调速方案，在轧机、矿山卷扬、船舶推进、水泥、风洞等传动领域中已全面取代传统的大功率直流调速，取得了良好的经济效益。

交交变频器采用的功率器件是晶闸管，晶闸管是开通时刻可控、关断时刻不可控的半控型功率器件，并且实际负载的电感不是无穷大，故当负载电流较小时，变频器输出电流会出现电流断续现象。与电流连续时的移相特性相比，电流断续时的移相特性向触发延迟角α向增大的方向移动，如果仍采取所提到电流连续状态的输出电压控制方法控制触发延迟角，变频器输出电压将严重畸变，输出电流过零不平滑，谐波含量高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种交交变频装置电流断续非线性补偿方法。

根据本发明的一个方面，提供一种交交变频装置电流断续非线性补偿方法，包括如下步骤：

步骤1：整定电流断续的预控角ALP，得到ALP整定值；

步骤2：整定电流断续临界值VCI，得到VCI整定值；

步骤3：根据电流断续程度计算出触发补偿角Δα，具体如下：

根据将ALP与VCI整定值，代入式进行计算，即可得到触发补偿角Δα；

其中，为电流给定值，NFI为调整系数；

步骤4：按照电流连续时的电压控制方法计算出的触发延迟角α^*，具体为：

根据电压调制信号u_r计算出角α^*，采用线性波作为触发器同步信号，根据式计算得到触发延迟角α^*；

其中，f(u_r)为将电压调制信号代入电压控制方法的计算函数进行计算得到的结果；

步骤5：将触发补偿角Δα与触发延迟角α^*相加，得到最终的触发延迟角α，送至触发装置。

优选地，所述步骤1包括如下子步骤：

步骤1.1：调节交交变频装置电流给定值，当电流断续时，读出此时α角；

步骤1.2：用α角减去90°，即得到电流断续的预控角ALP；

步骤1.3：多次测量求得预控角ALP的平均值作为ALP整定值以提高整定精度。

优选地，所述步骤2包括如下子步骤：

步骤2.1：交交变频装置在电流闭环状态下，将电流给定值设为直流量；

步骤2.2：当电流临界连续时，读出电流给定(增大方向)值，即电流断续临界值VCI；

步骤2.3：多次测量求得电流断续临界值VCI的平均值作为VCI整定值以提高整定精度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的交交变频装置电流断续非线性补偿方法有效地减小了电流断续状态下出现的电压畸变，消除了电压谐波；

(2)相较于分段线性补偿方法，本发明提供的非线性补偿方法精度更高、可以在电流断续阶段实时、精确地进行电流断续补偿，大大消除了交交变频装置输出电压在过零处附近的谐波；

(3)本发明提供的补偿方法简单易行，特别适用于现在常用的数字控制器。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为电流断续补偿示意图；

图2为触发补偿角与电流给定值的函数关系图；

图3为无断续补偿时交-交变频器的输出电压与输出电流波形；

图4为加入电流断续补偿后交-交变频器的输出电压与输出电流波形；

图5为电流断续补偿效果硬件实验对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的目的是解决当负载电流较小时，由于晶闸管特性导致的变频器输出电流出现的电流断续现象，提供了一种交交变频装置电流断续非线性补偿方法，可以有效减小电压畸变，保证输出电压跟随给定电压变化，从而提高交交变频装置的控制性能，尤其是在启动、停车和空载状态下的控制性能。

电流断续补偿的思路是：引入电流断续补偿环节，其输入是电流给定信号，根据断续临界点和电流断续的预控角，经过计算得到补偿信号Δα，与采用电压控制方法计算的触发延迟角α^*相加，得到最终的触发延迟角α，送至触发装置。当电流连续时，Δα=0；当电流断续时，Δα≠0，发挥补偿作用，使电流调节器输出近似为零。图1是电流断续补偿示意图。

如图1所示，加入电流断续补偿后，触发延迟角α计算方法为

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}^{*}+\mathrm{\Δ\α}=f\left(u_r\right)+g\left(i_o^{*}\right)---\left(1\right)$

其中，α^*为根据电流连续时的电压控制方法计算的触发延迟角，Δα为电流断续补偿角，α为加入电流断续补偿算法，最终的触发延迟角，f为电压控制方法的计算函数，g为触发补偿角计算函数，u_r为电压调制信号，f(u_r)为将电压调制信号代入电压控制方法的计算函数进行计算得到的结果，即α^*，为电流给定值，为将电流给定值代入触发补偿角计算函数进行计算得到的结果，即Δα。

可以看出，在电流断续时，最终的触发延迟角包含角α^*与角Δα两部分，下面分别介绍这两部分的实现方法：

(1)按照电流连续时的电压控制方法计算出的触发延迟角α^*。

根据电压调制信号u_r计算出角α^*。本系统采用线性波作为触发器同步信号，故

${\mathrm{\α}}^{*}=f\left(u_r\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}(1-u_r)---\left(2\right)$

(2)根据电流断续程度计算出的触发补偿角Δα。

当输出电流小于某临界值时，会出现电流断续现象，因此，在实现电流闭环后，一般采用电流给定值的大小来衡量电流断续程度。图2为触发补偿角与电流给定值的函数关系图。

图2中，为电流给定值，Δα为触发补偿角，VCI为电流断续临界值，ALP为电流断续的预控角，取值范围在25°与30°之间。可以看出触发补偿角与电流给定值之间呈非线性关系，因此工程中常采用电流断续直线补偿方法来解决该问题，即选取一条直线作为近似曲线：当输出电流为零时，取触发补偿角Δα为22°；当输出电流为断续临界值时，取Δα为0°；选取这两个特殊点作为端点所构成的直线作为补偿曲线这种方法简单易行，但这种方法不够精确，补偿后变频器的输出电压和输出电流波形谐波含量仍偏高。为解决该问题，本文在测量断续电压电流的基础上采用非线性补偿的方法，有效的提高了补偿精度。

这种改进型电流断续非线性补偿方法理论依据如下：

$\mathrm{\Δ\α}=\mathrm{ALP}(\frac{1-\arcsin (1-\frac{i_o^{*}}{2*\mathrm{VCI}*\mathrm{NFI}})}{1-\arcsin \left(0.5\right)}-1)---\left(3\right)$

其中，ALP为电流断续的预控角，NFI为调整系数。通常NFI取1。在数字控制系统中，可以实现式(3)描述的电流断续补偿算法。

这种电流断续非线性补偿方法实现步骤如下：

①整定电流断续的预控角ALP：

电感无穷大时，当触发角为90°时会出现电流断续现象，但实际电感值有限，故应补偿角度。调节交交变频装置电流给定值，当电流断续时，读出此时α角，减去90°，即得到电流断续的预控角ALP，多次测量求得平均值以提高整定精度。

②整定电流断续临界值VCI：

交交变频装置在电流闭环状态下，将电流给定值设为直流量，当电流临界连续时，读出电流给定(增大方向)值，即得到电流断续临界值VCI，多次测量求得平均值以提高整定精度。

③根据电流断续程度计算出的触发补偿角Δα：

根据ALP与VCI整定值，代入式(3)进行计算，即可得到触发补偿角Δα。

④按照电流连续时的电压控制方法计算出的触发延迟角α^*：

根据电压调制信号u_r计算出角α^*。如采用线性波作为触发器同步信号，根据式(2)计算得到触发延迟角α^*。

⑤将补偿角Δα与触发延迟角α^*相加，得到最终的触发延迟角α，送至触发装置。

图3所示为电流断续时交-交变频器的输出电压与输出电流波形，其中负载为阻感负载(5Ω，6mH)，输出电压频率为5Hz，采用线性波截交法控制。

可以看出不加入断续补偿时，单相交-交变频器的输出电压畸变严重，输出电流过零不平滑，谐波含量高。

图4为加入电流断续补偿后交-交变频器的输出电压与输出电流波形，其中负载为阻感负载(5Ω，6mH)，输出电压频率为5Hz，采用线性波截交法控制。

比较图3，可以看出，加入电流断续补偿后，交-交变频器输出电压和输出电流在过零处较平滑，波形正弦度好，谐波含量少。同时，采用这种电流断续补偿方法进行了硬件实验验证，实验结果如图5所示。

图5中，横轴为时间轴，每格代表100ms，纵轴为电流轴，每格代表6A。硬件实验验证了本系统采用的电流断续补偿方法后，输出电流过零处平滑，波形正弦度好，谐波含量少，总体效果良好。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种交交变频装置电流断续非线性补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：整定电流断续的预控角ALP，得到ALP整定值；

步骤2：整定电流断续临界值VCI，得到VCI整定值；

步骤3：根据电流断续程度计算出触发补偿角Δα，具体如下：

将ALP整定值与VCI整定值，代入式 $\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}=ALP(\frac{1-arcsin(1-\frac{i_o^{*}}{2*VCI*NFI})}{1-arcsin\left(0.5\right)}-1)$ 进行计算，即可得到触发补偿角Δα；

其中，为电流给定值，NFI为调整系数；

步骤4：按照电流连续时的电压控制方法计算出的触发延迟角α^*，具体为：

根据电压调制信号u_r计算出角α^*，采用线性波作为触发器同步信号，根据式 ${\mathrm{\α}}^{*}=f\left(u_r\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}(1-u_r)$ 计算得到触发延迟角α^*；

其中，f(u_r)为将电压调制信号代入电压控制方法的计算函数进行计算得到的结果；

步骤5：将触发补偿角Δα与触发延迟角α^*相加，得到最终的触发延迟角α，送至触发装置；

所述步骤1包括如下子步骤：

步骤1.1：调节交交变频装置电流给定值，当电流断续时，读出此时α角；

步骤1.2：用α角减去90°，即得到电流断续的预控角ALP；

步骤1.3：多次测量求得预控角ALP的平均值作为ALP整定值以提高整定精度；

所述步骤2包括如下子步骤：

步骤2.1：交交变频装置在电流闭环状态下，将电流给定值设为直流量；

步骤2.2：当电流临界连续时，读出电流给定值，即电流断续临界值VCI；

步骤2.3：多次测量求得电流断续临界值VCI的平均值作为VCI整定值以提高整定精度。