CN103973189B - 一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，包括以下步骤：对三相输出电流进行解耦，获得有功电流分量和无功电流分量，然后分别对所述有功电流和无功电流进行滤波；对步骤1处理后的所述无功电流分量进行微分、限幅和滤波处理，获得最终电压给定值；根据给定电压的角频率通过积分器获得电压矢量的旋转角度；将所述最终电压给定值和电压矢量的旋转角度作为PWM发生器的输入，调制出PWM脉冲。本发明提供了一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，对异步电机低频振荡抑制效果好，控制算法简单，参数设置简便，具有较强的实用价值。

Description

一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法。

背景技术

VVVF控制模式的控制方法简单，且不依赖电机参数，在控制精度要求不高的场合具有广泛的应用；通用变频器一般都会用到这种控制模式，但其模式属于开环控制，电机在轻载或者空载运行时，在一定运行频率段容易产生转矩波动，电流大幅度变化，电机持续振荡，严重时还会过流，变频器报故障停机影响生产，长时间持续振荡也会减少电机的寿命，因此在振荡的频率段内不能正常运行，这样就会限制VVVF控制方式的调速范围。

这种现象在不同的电机中振荡的频率段会有所不同，但是大多集中在10-30HZ频率段内，实验和研究表明，振荡的特性主要与死区时间设置、电机参数相关；还有些电机振荡是运行频率和电机的机械频率共振导致的。

从能量转换的角度来看，振荡的本质原因是电机与变频器的能量交换，在振荡的时候，有功电流和无功电流，功率因素角，还有母线电压等都在波动。研究和实验表明，VVVF控制时电机的振荡与变频器和电机之间的无功交换有关。

为了抑制这种振荡，避免或减少这种能量交换，由于死区的存在，单纯通过死区补偿难以解决问题，而且死区补偿不易准确，如果补偿不准确会导致振荡更加严重。目前抑制振荡的方法有很多，主要是以下几种：（1）根据母线电压的大小进行微分反馈调节，改变输出频率，但是为了获得准确的母线电压需要检测母线的硬件电路，实验表明，在不同功率段的电机其效果不一样，缺乏统一性，很难有推广的价值。（2）通过有功电流进行微分反馈调节，调节输出频率，改变波动的转矩，保持转矩的稳定。但实际调节过程中参数调节效果不佳，而且统一性差。（3）通过母线电压和有功电流同时参与反馈调节，低频时采用有功电流参与调节，高频时将母线电压反馈调节加入进来，由于调节参数多，调节起来不方便，用户体验性差，很难调节到合适的值，增加了控制的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，对三相输出电流进行解耦，获得无功电流分量；

步骤2，对步骤1处理后的所述无功电流分量进行微分、限幅和滤波处理，获得最终电压给定值；

步骤3，根据给定电压的角频率通过积分器获得电压矢量的旋转角度；

步骤4，将所述最终电压给定值和电压矢量的旋转角度作为PWM发生器的输入，调制出PWM脉冲。

进一步，所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1，将三相输出电流经过clark变换，获得两相静止坐标系下两个电流分量；

步骤1.2，将所述两个电流分量通过PARK变换进行解耦，获得有功电流分量和无功电流分量；

进一步，所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，对步骤1处理后的所述无功电流分量通过Z变换获得相邻的两次无功电流分量iq和iq_bake；

步骤2.2，通过减法器对所述iq和iq_bake进行相减处理；

步骤2.3，通过乘法器对所述减法器的输出值进行处理得到需要修正的给定电压值；

步骤2.4，将所述需要修正的给定电压值通过限幅单元进行处理后，再通过滤波器进行滤波处理，得到滤波后的电压改变值；

步骤2.5，将所述滤波后的电压改变值与预先的设定电压给定值通过加法器进行叠加，获得最终电压给定值。

一种变频驱动异步电机的振荡抑制装置，包括霍尔检测电流元件、clark变换器、PARK变换器、Z变换单元、减法器、乘法器、限幅处理单元、滤波器、加法器、积分器、PWM调制单元和逆变桥，所述霍尔检测电流元件、clark变换器、PARK变换器、Z变换单元、减法器、乘法器、限幅处理单元、滤波器、加法器、PWM调制单元和逆变桥依次连接，所述PWM调制单元和PARK变换器均与所述积分器连接；

所述霍尔检测电流元件用于获得三相电机定子相电流；

所述clark变换器用于将所述三相电机定子相电流进行clark变换，并获得两相静止坐标系下两个电流分量；

所述PARK变换器用于将所述两个电流分量通过PARK变换进行解耦，以获得有功电流分量和无功电流分量；

所述Z变换单元用于将所述无功电流分量通过Z变换获得相邻的两次无功电流分量iq和iq_bake；

所述减法器用于对所述iq和iq_bake进行相减处理；

所述乘法器用于对所述减法器的输出值进行处理得到需要修正的给定电压值；

所述限幅处理单元用于对所述需要修正的给定电压值进行限幅处理；

所述滤波器用于对所述限幅处理单元的输出量进行滤波处理，并得到滤波后的电压改变值；

所述加法器用于将所述滤波后的电压改变值与预先的设定电压给定值进行叠加，获得最终电压给定值；

所述积分器用于根据给定电压的角频率获得电压矢量的旋转角度；

所述PWM调制单元用于将所述最终电压给定值和电压矢量的旋转角度作为PWM发生器的输入，调制出PWM脉冲，并通过所述逆变桥驱动外部电机。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，对异步电机低频振荡抑制效果好，控制算法简单，参数设置简便，具有较强的实用价值。

附图说明

图1为实施例中未采用本发明情况下，变频器空载运行频率为15HZ时输出的电流波形；

图2为实施例中采用本发明情况下，变频器空载运行频率为15HZ时输出的的电流波形；

图3为本发明一种变频驱动异步电机的振荡抑制装置的框架图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

异步电机振荡时有功电流和无功电流一直处于波动状态，而我们最理想的状态是在稳定时有功电流基本用来提供转矩，无功电流基本只用来提供励磁。

转矩的波动是电机振荡的最直接的表现，根据电磁转矩的公式可得：

上式中：T_e为电磁转矩，C_T为转矩常数，为主磁通，I₂为转子电流，转子功率因数。

要保持电机的稳定运行就需要保证电磁转矩的稳定，然而Te与有功电流成正相关，在正常情况下，要保证Te的稳定就要保证磁通恒定，而无功电流主要是用来产生励磁磁通，所以保证无功电流的稳定即可保证转矩的稳定。同时无功电流稳定，也保证了的无功变化减小，进而能量交换的过程就会减弱，即从能量的角度也反映电机振荡在减弱，综上所述最直接有效地方法就是保持无功电流的稳定。

根据以上发现，本发明以调节无功电流作为出发点，具体实施方法是通过输出电压改变无功电流。

一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，对三相输出电流进行解耦，获得有功电流分量和无功电流分量；

步骤2，对步骤1处理后的所述无功电流分量进行微分、限幅和滤波处理，获得最终电压给定值；

步骤3，根据给定电压的角频率通过积分器获得电压矢量的旋转角度；

步骤4，将所述最终电压给定值和电压矢量的旋转角度作为PWM发生器的输入，调制出PWM脉冲。最后通过逆变桥驱动电机。

所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1，将三相输出电流经过clark变换，获得两相静止坐标系下两个电流分量；

步骤1.2，将所述两个电流分量通过PARK变换进行解耦，获得有功电流分量和无功电流分量。

所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，对步骤1处理后的所述无功电流分量通过Z变换获得相邻的两次无功电流分量iq和iq_bake；

步骤2.2，通过减法器对所述iq和iq_bake进行相减处理；

步骤2.3，通过乘法器对所述减法器的输出值进行处理得到需要修正的给定电压值；

步骤2.4，将所述需要修正的给定电压值通过限幅单元进行处理后，再通过滤波器进行滤波处理，得到滤波后的电压改变值；其作用一是剃除毛刺的影响，二是让电压每次的改变值进一步减小，保证其控制的稳定性，但滤波系数不易过大，否则会影响控制器的调节速度；

步骤2.5，将所述滤波后的电压改变值与预先的设定电压给定值通过加法器进行叠加，获得最终电压给定值。

如图3所示，一种变频驱动异步电机的振荡抑制装置，包括霍尔检测电流元件、clark变换器、PARK变换器、Z变换单元、减法器、乘法器、限幅处理单元、滤波器、加法器、积分器、PWM调制单元和逆变桥，所述霍尔检测电流元件、clark变换器、PARK变换器、Z变换单元、减法器、乘法器、限幅处理单元、滤波器、加法器、PWM调制单元和逆变桥依次连接，所述PWM调制单元和PARK变换器均与所述积分器连接；

所述霍尔检测电流元件用于获得三相电机定子相电流，所述clark变换器用于将所述三相电机定子相电流进行clark变换，并获得两相静止坐标系下两个电流分量，所述PARK变换器用于将所述两个电流分量通过PARK变换进行解耦，以获得有功电流分量和无功电流分量，所述Z变换单元用于将所述无功电流分量通过Z变换获得相邻的两次无功电流分量iq和iq_bake，所述减法器用于对所述iq和iq_bake进行相减处理，所述乘法器用于对所述减法器的输出值进行处理得到需要修正的给定电压值，所述限幅处理单元用于对所述需要修正的给定电压值进行限幅处理，所述滤波器用于对所述限幅处理单元的输出量进行滤波处理，并得到滤波后的电压改变值，所述加法器用于将所述滤波后的电压改变值与预先的设定电压给定值进行叠加，获得最终电压给定值；

所述积分器用于根据给定电压的角频率获得电压矢量的旋转角度，所述PWM调制单元用于将所述最终电压给定值和电压矢量的旋转角度作为PWM发生器的输入，调制出PWM脉冲，并通过所述逆变桥驱动外部电机。

本发明的控制实验方案所用变频电机的参数如下：额定电压：380V，额定电流：138A，额定功率：75KW，额定转速：1460rpm。

空载和轻载时未采用本发明的控制方案容易在10-30HZ区间产生振荡，如图1为未采用本发明情况下，变频器空载运行频率为15HZ时输出的电流波形，电流振荡严重；采用本发明的控制方法，不论在空载和轻载的情况下，电机运行平稳，电流平稳，未出现振荡现象，如图2为采用本发明方法，变频器空载运行频率为15HZ时的电流波形。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对三相输出电流进行解耦，获得无功电流分量；

步骤2，对步骤1处理后的所述无功电流分量进行微分、限幅和滤波处理，获得最终电压给定值；

步骤3，根据给定电压的角频率通过积分器获得电压矢量的旋转角度；

步骤4，将所述最终电压给定值和电压矢量的旋转角度作为PWM发生器的输入，调制出PWM脉冲；

所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，对步骤1处理后的所述无功电流分量通过Z变换获得相邻的两次解耦后的无功电流iq和iq_bake；

步骤2.2，通过减法器对所述iq和iq_bake进行相减处理；

步骤2.3，通过乘法器对所述减法器的输出值进行处理得到需要修正的给定电压值；

步骤2.4，将所述需要修正的给定电压值通过限幅单元进行处理后，再通过滤波器进行滤波处理，得到滤波后的电压改变值；

步骤2.5，将所述滤波后的电压改变值与预先的设定电压给定值通过加法器进行叠加，获得最终电压给定值。

2.根据权利要求1所述的一种变频驱动异步电机的振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1，将三相输出电流经过clark变换，获得两相静止坐标系下两个电流分量；

步骤1.2，将所述两个电流分量通过PARK变换进行解耦，获得有功电流分量和无功电流分量。

3.一种变频驱动异步电机的振荡抑制装置，其特征在于，包括霍尔检测电流元件、clark变换器、PARK变换器、Z变换单元、减法器、乘法器、限幅处理单元、滤波器、加法器、积分器、PWM调制单元和逆变桥，所述霍尔检测电流元件、clark变换器、PARK变换器、Z变换单元、减法器、乘法器、限幅处理单元、滤波器、加法器、PWM调制单元和逆变桥依次连接，所述PWM调制单元和PARK变换器均与所述积分器连接；

所述霍尔检测电流元件用于获得三相电机定子相电流；

所述clark变换器用于将所述三相电机定子相电流进行clark变换，并获得两相静止坐标系下两个电流分量；

所述PARK变换器用于将所述两个电流分量通过PARK变换进行解耦，以获得有功电流分量和无功电流分量；

所述Z变换单元用于将所述无功电流分量通过Z变换获得相邻的两次无功电流分量iq和iq_bake；

所述减法器用于对所述iq和iq_bake进行相减处理；

所述乘法器用于对所述减法器的输出值进行处理得到需要修正的给定电压值；

所述限幅处理单元用于对所述需要修正的给定电压值进行限幅处理；

所述滤波器用于对所述限幅处理单元的输出量进行滤波处理，并得到滤波后的电压改变值；

所述加法器用于将所述滤波后的电压改变值与预先的设定电压给定值进行叠加，获得最终电压给定值；

所述积分器用于根据给定电压的角频率获得电压矢量的旋转角度；

所述PWM调制单元用于将所述最终电压给定值和电压矢量的旋转角度作为PWM发生器的输入，调制出PWM脉冲，并通过所述逆变桥驱动外部电机。