CN106208860A - 异步电机v/f调速轻载振荡的抑制方法以及v/f调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异步电机V/F调速轻载振荡抑制方法以及V/F调速系统，所述方法包括：提取定子电流中的无功电流振荡部分，调整定子电压矢量幅值；采用空间电压矢量脉冲宽度调制，生成PWM信号对逆变器中的IGBT进行控制，完成异步电机驱动。所述系统包括：整流器、逆变器、异步电机、DSP主控芯片、电流互感器、隔离驱动光耦。本发明针对传统的V/F调速系统轻载不稳定的问题，采用电压补偿控制方法，在定子电压定向同步旋转坐标系中，将定子电流分解为有功分量和无功分量，根据无功电流的振荡成分来调整定子电压幅值，有效地抑制了异步电机V/F调速轻载振荡现象，调速系统稳定性良好。

Description

异步电机V/F调速轻载振荡的抑制方法以及V/F调速系统

技术领域

本发明涉及异步电机变频调速控制技术，特别是涉及一种异步电机V/F调速轻载振荡抑制方法以及V/F调速系统。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，交流调速技术的应用越来越广泛。异步电机变频调速控制方法可分为：恒压频比(V/F)控制方式、转差频率控制方式、矢量控制(VC)方式和直接转矩控制(DTC)方式。矢量控制的控制精度较高，能够与直流调速系统性能相媲美，因此，一直受到广泛的关注，也是众多学者研究的主要方向。但是，矢量控制技术实现比较复杂，严重依赖电机参数，且通常需要速度传感器。与矢量控制变频调速控制技术相比，通用变频调速技术精度相对较差，但具有不依赖电机参数，不需要速度传感器，控制方法简单、容易实现等优点。因此，在工程实际中，通用变频调速系统得到了广泛应用，目前大部分的变频调速系统都采用这样一种模式，尤其在风机、水泵等调速性能要求不高的应用场合。在目前的低压变频器控制方式上，产品采用不同调速方式，其比例大致为：48.2％产品采用V/F控制，25.5％产品采用闭环矢量控制，15.6％产品采用开环矢量控制，4.8％产品采用DTC控制，其余5.9％采用其他控制方式。可见，采用V/F控制方式的通用变频调速系统占据了大部分的市场，如果能对其部分性能进行改善，将使其得到更广泛的应用。

交流电机在PWM方式供电的条件下在电机轻载或者空载的时候由于某些原因电机会在一个比较宽的频率段系统会出现局部不稳定现象，这时电流幅值波动很大，输出频率也会有一定改变，电流的振荡有可能会导致系统因为过电流而误触发报警，使系统不能稳定可靠的工作。引起振荡的原因很多，如定子电阻、转子惯量、死区时间、DC滤波电容、载波频率、系统共振频率等，比较普遍的观点是电机和变频器在能量交换过程中引起的。

对死区效应进行补偿后可以有效的减少振荡的幅度，但不能从根本上抑制振荡。现有技术中一种有效的方法是当振荡发生时，相应改变实际输出的频率或者电压，通过电流形成一个简单的负反馈系统，达到抑制振荡的目的[5]。但是这种方法也有一定的局限性。由于不同电机的振荡频率范围是不一样的，从5Hz-30Hz左右变化，而采用电流的幅值控制，只是一个标量，这就使得控制的效果不佳，系统的鲁棒性降低。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于一种异步电机V/F调速轻载振荡抑制方法以及系统，确保电机在空载或轻载时，整个频率段都能平稳运行。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：

一种异步电机V/F调速轻载振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据V/F曲线，计算定子电压矢量幅值和相位；

步骤二：采样定子电流，提取定子电流中的无功电流振荡部分，调整定子电压矢量幅值；

步骤三：采用空间电压矢量脉冲宽度调制，根据调整后的定子电压矢量的幅值和相位，利用SVPWM合成定子电压矢量，然后生成PWM信号对逆变器中的IGBT进行控制，完成异步电机驱动。

进一步，步骤二具体包括：在两相同步旋转dq坐标系中，定义dq坐标系的d轴按定子电压矢量V定向，在dq坐标系下，定子电流矢量I滞后电压矢量V，采集的定子电流矢量在dq坐标系的两个分量i_d、i_q分别为有功电流、无功电流；

通过式(1)提取i_q的振荡成分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，时间常数为τ₁的低通滤波器主要滤除i_q中的高频噪声，时间常数为τ₂的低通滤波器除滤除高频噪声外还滤除振荡成分，两低通滤波后的结果相减得到i_q的振荡成分；

根据Δi_q，通过式(2)调整定子电压幅值：

V＝V′+kΔi_q (2)

式中，V′为V/F曲线输出电压值，k为振荡抑制系数。

一种应用上述方法的V/F调速系统，包括整流器、逆变器、异步电机、DSP主控芯片、电流互感器、隔离驱动光耦；

所述整流器的输入端连接电网，用于将交流电转换成直流电并输出至逆变器；所述逆变器的输出端连接异步电机的输入端，用于输出交流电驱动异步电机；所述电流互感器的输入端连接异步电机的输入端，用于采样异步电机的定子电流；

所述DSP主控芯片内含ADC模块、事件管理器；

所述ADC模块被配置成接收电流互感器输出的定子电流的采样值，并对采样值进行A/D转换；

所述事件管理器包括通用定时器、全比较单元及相关PWM电路；

其中所述全比较单元及相关的PWM电路被配置成产生3组6路周期不变但脉宽可变的PWM信号，调整全比较单元的比较寄存器的值能够调整PWM信号的脉宽，所述PWM信号经隔离驱动光耦输出至逆变器，通过PWM信号驱动逆变器的IGBT通断，进而控制逆变电机；

所述通用定时器被配置成提供全比较单元及相关PWM电路时钟基准，并通过使能其中断以启动ADC模块，，在中断程序中，判断A/D转换是否完成；若完成，则读取A/D转换结果；根据V/A曲线，计算定子电压矢量幅值和相位；提取定子电流中的无功电流振荡部分，调整定子电压矢量幅值；基于SVPWM合成定子电压矢量，计算所需PWM信号的占空比；据此更新全比较单元的比较寄存器的值，更新PWM信号的脉宽，实现对异步电机的V/F调速控制。

进一步，所述通用定时器被设置为连续增/减计数模式，使全比较单元产生对称的PWM信号。

进一步，所述通用定时器被配置成当下溢中断标志出现时，启动ADC模块。

本发明的有益效果是：本发明针对传统的V/F调速系统轻载不稳定的问题，采用电压补偿控制方法，在定子电压定向同步旋转坐标系中，将定子电流分解为有功分量和无功分量，根据无功电流的振荡成分来调整定子电压幅值，有效地抑制了异步电机V/F调速轻载振荡现象，调速系统稳定性良好。

附图说明

图1是异步电机稳态等效电路；

图2是定子电流矢量分解示意图；

图3是本发明的V/F调速系统原理框图；

图4是本发明的V/F调速系统的硬件结构框图；

图5是中断程序的流程图；

图6是V/F调速系统振荡抑制措施15Hz至20Hz加速过程波形图；

图7是V/F调速系统无振荡抑制措施30Hz运行波形图；

图8是V/F调速系统无振荡抑制措施30Hz-40Hz加速过程波形图；

图9是V/F调速系统有振荡抑制措施10Hz-50Hz加速过程波形图；

图10是V/F调速系统有振荡抑制措施30Hz运行波形图。

具体实施方式

异步电机稳态等效电路如图1所示，图中V为定子电压、I为定子电流，r_s为定子电阻、L_sσ为定子漏感，L_m为互感，L′_rσ为转子漏感(折算到定子侧)、r′_r为转子电阻(折算到定子侧)，s为转差率。由图1可以看出异步电机稳态电路呈阻感特性，定子电流可以分解为有功分量i_d和无功分量i_q，无功分量滞后有功分量90°。空载、轻载振荡主要与无功电流振荡造成的电机定子磁链及电磁转矩振荡有关，通过抑制无功电流振荡，可以避免电机振荡。对无功电流电流振荡抑制是采用对无功电流进行闭环调节以使无功电流稳定的方法。本发明采用电压补偿控制方法抑制异步电机V/F调速轻载振荡，基本思路是使无功电流稳定，即使电机定子磁链稳定。具体方法是无功电流减小时增大电机定子电压，使无功电流增加。而无功电流增大时减小定子电压，使无功电流减小，使异步电机V/F调速系统始终运行于稳定状态。

本发明的一种异步电机V/F调速轻载振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据V/F曲线，计算定子电压矢量幅值和相位；

步骤二：采样定子电流，提取定子电流中的无功电流振荡部分，调整定子电压矢量幅值；具体地，在两相同步旋转dq坐标系中，定义dq坐标系的d轴按定子电压矢量V定向，在dq坐标系下，定子电流矢量I滞后电压矢量V，采集的定子电流矢量在dq坐标系的两个分量i_d、i_q分别为有功电流、无功电流，如图2所示；

通过式(1)提取i_q的振荡成分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，时间常数为τ₁的低通滤波器主要滤除i_q中的高频噪声，时间常数为τ₂的低通滤波器除滤除高频噪声外还滤除振荡成分，两低通滤波后的结果相减得到i_q的振荡成分；

根据Δi_q，通过式(2)调整定子电压幅值：

V＝V′+kΔi_q (2)

式中，V′为V/F曲线输出电压值，k为振荡抑制系数。

步骤三：采用空间电压矢量脉冲宽度调制，根据调整后的定子电压矢量的幅值和相位，利用SVPWM合成定子电压矢量，然后生成PWM信号对逆变器中的IGBT进行控制，完成异步电机驱动。

根据上述的方法可以得到带振荡抑制措施的V/F调速系统。因V/F控制无限制起动和制动电流的功能，给定频率需经过给定积分器产生平缓的加速或减速信号；采用空间电压矢量脉冲宽度调制(SVPWM)，根据定子电压矢量的幅值V和相位θ生成6路PWM信号，控制逆变器中的IGBT，完成逆变驱动，如图3所示。

所述V/F调速系统的硬件结构具体包括整流器、逆变器、异步电机、DSP主控芯片、电流互感器、隔离驱动光耦，如图4所示。

所述整流器的输入端连接电网，用于将交流电转换成直流电并输出至逆变器；所述逆变器的输出端连接异步电机的输入端，用于输出交流电驱动异步电机；所述电流互感器的输入端连接异步电机的输入端，用于采样异步电机的定子电流。

所述DSP主控芯片型号为TMS320F2812，其内含ADC模块、事件管理器EVA。

所述ADC模块被配置成接收电流互感器输出的定子电流的采样值，并对采样值进行A/D转换。

所述事件管理器EVA包括通用定时器、全比较单元及相关PWM电路。

所述全比较单元及相关的PWM电路被配置成产生3组6路周期不变但脉宽可变的PWM信号，调整全比较单元的比较寄存器的值能够调整PWM信号的脉宽，所述PWM信号经隔离驱动光耦输出至逆变器，通过PWM信号驱动逆变器的IGBT通断，进而控制逆变电机。

所述通用定时器被配置成提供全比较单元及相关PWM电路时钟基准，并通过使能其中断以启动ADC模块，在中断程序中，判断A/D转换是否完成；若完成，则读取A/D转换结果；根据V/A曲线，计算定子电压矢量幅值和相位；提取定子电流中的无功电流振荡部分，调整定子电压矢量幅值；基于SVPWM合成定子电压矢量，计算所需PWM信号的占空比；据此更新全比较单元的比较寄存器的值，更新PWM信号的脉宽，实现对异步电机的V/F调速控制，如图5所示。

所述通用定时器被设置为连续增/减计数模式，使全比较单元产生对称的PWM信号。

所述通用定时器被配置成当下溢中断标志出现时，启动ADC模块。

为验证振荡抑制方法的有效性，在5.5kW的实验平台进行了实验。实验异步电机参数为：额定功率5.5kW、额定电压330V、额定电流13.5A、极数4极、额定频率50Hz。

未采用振荡抑制措施时，实验电机空载运行，振动频段大致在18Hz～38Hz。记录实验波形如图6-图8。图6为电机加速过程随频率上升进入振荡区，振荡逐步加剧；图7为30Hz运行，振荡严重；图8为电机加速过程随频率上升进入稳定区，振荡消失。加入振荡抑制措施后，系统的振荡现象得到消除，如图9和图10，在整个调速区间无振荡现象，电机运行平稳。

图6为未采用无振荡抑制措施时，实验电机在15Hz至20Hz加速过程，图7无振荡抑制措施30Hz运行，图8无振荡抑制措施30Hz-40Hz加速过程，图9为采用振荡抑制措施10Hz-50Hz加速过程，从图中可看出加入抑制振荡方法后系统振荡能得到很好的抑制。图10为采用振荡抑制措施30Hz运行曲线。

通过实验证明，本发明能有效地抑制了异步电机V/F调速轻载振荡现象，调速系统稳定性良好。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种异步电机V/F调速轻载振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据V/F曲线，计算定子电压矢量幅值和相位；

步骤二：采样定子电流，提取定子电流中的无功电流振荡部分，调整定子电压矢量幅值；

步骤三：采用空间电压矢量脉冲宽度调制，根据调整后的定子电压矢量的幅值和相位，利用SVPWM合成定子电压矢量，然后生成PWM信号对逆变器中的IGBT进行控制，完成异步电机驱动。

2.根据权利要求1所述的一种异步电机V/F调速轻载振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：在两相同步旋转dq坐标系中，定义dq坐标系的d轴按定子电压矢量V定向，在dq坐标系下，定子电流矢量I滞后电压矢量V，采集的定子电流矢量在dq坐标系的两个分量i_d、i_q分别为有功电流、无功电流；

通过式(1)提取i_q的振荡成分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，时间常数为τ₁的低通滤波器主要滤除i_q中的高频噪声，时间常数为τ₂的低通滤波器除滤除高频噪声外还滤除振荡成分，两低通滤波后的结果相减得到i_q的振荡成分；

根据Δi_q，通过式(2)调整定子电压幅值：

V＝V′+kΔi_q (2)

式中，V′为V/F曲线输出电压值，k为振荡抑制系数。

3.一种V/F调速系统，其特征在于：包括整流器、逆变器、异步电机、DSP主控芯片、电流互感器、隔离驱动光耦；

所述整流器的输入端连接电网，用于将交流电转换成直流电并输出至逆变器；所述逆变器的输出端连接异步电机的输入端，用于输出交流电驱动异步电机；所述电流互感器的输入端连接异步电机的输入端，用于采样异步电机的定子电流；

所述DSP主控芯片内含ADC模块、事件管理器；

所述ADC模块被配置成接收电流互感器输出的定子电流的采样值，并对采样值进行A/D转换；

所述事件管理器包括通用定时器、全比较单元及相关PWM电路；

其中所述全比较单元及相关的PWM电路被配置成产生3组6路周期不变但脉宽可变的PWM信号，调整全比较单元的比较寄存器的值能够调整PWM信号的脉宽，所述PWM信号经隔离驱动光耦输出至逆变器，通过PWM信号驱动逆变器的IGBT通断，进而控制逆变电机；

所述通用定时器被配置成提供全比较单元及相关PWM电路时钟基准，并通过使能其中断以启动ADC模块，在中断程序中，判断A/D转换是否完成；若完成，则读取A/D转换结果；根据V/A曲线，计算定子电压矢量幅值和相位；提取定子电流中的无功电流振荡部分，调整定子电压矢量幅值；基于SVPWM合成定子电压矢量，计算所需PWM信号的占空比；据此更新全比较单元的比较寄存器的值，更新PWM信号的脉宽，实现对异步电机的V/F调速控制。

4.根据权利要求3所述的一种V/F调速系统，其特征在于：所述通用定时器被设置为连续增/减计数模式，使全比较单元产生对称的PWM信号。

5.根据权利要求3所述的一种V/F调速系统，其特征在于：所述通用定时器被配置成当下溢中断标志出现时，启动ADC模块。