CN106549622B - 用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，它包括主控制步骤，另外还在主控制步骤上增加了反馈补偿步骤，反馈补偿步骤包括定子电阻压降补偿步骤、定子电压幅值补偿步骤和滑差补偿步骤。本发明改善了异步电机的带载启动性能、低频带载能力和速度精度，带载启动转矩可达到115％额定负载，并能在1Hz低频时满载稳定运行，转速误差可控制在0.1Hz以内，使异步电机在0～50Hz频率段内都能平稳运行，异步电机的振荡得到了很好的抑制，系统稳定性被有效提高，适于普遍推广应用。

Description

用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于三相变频器的异步电机的恒压频比控制方法，属于异步电机变频调速技术领域。

背景技术

由于交流调速系统相比直流调速系统具有固有的优势，因此交流传动控制系统已经成为电气传动控制领域的主要发展方向。交流调速系统按照控制参数的不同可以分为：变级调速、变转差调速、变频调速三大类，其中的异步电机变频调速系统应用最为广泛，并有取代直流调速系统的趋势。

变频调速系统在变频调速时改变的是电机的同步旋转速度，即通过调节输出电压的频率来对电机进行调速。根据电机学的基本原理，为了充分利用电机的容量，在额定频率以下，希望保持气隙磁通恒定。为达到这一目的，通过实现定子反电势与电压频率的恒比控制来进行调速。但是，定子反电势不易直接获取，通常情况下采用电机的定子电压来代替定子反电势，也就是基于定子电压与电压频率的恒比控制来进行调速，这就是恒压频比(V/F)控制调速。恒压频比(V/F)控制变频调速系统的性能不依赖电机参数，不需要速度传感器，具有控制方法简单、容易实现等优点。因此，在工程实际中，恒压频比控制方法得到了广泛应用，目前大部分的变频调速系统都采用这一控制方法，尤其在风机、水泵等调速性能要求不高的应用场合。

图1给出了典型的异步电机恒压频比控制方法的实现原理图。定子频率给定值ω^*经过VF曲线生成器20给定的恒压频比得到定子电压幅值|U_s|，同时定子频率给定值ω^*还经过积分器30得到定子电压相位信息θ^*，定子电压相位信息θ^*经过余弦、正弦计算后分别与定子电压幅值|U_s|相乘得到调制波两相电压值和然后坐标变换后得到调制波三相电压值和而后三相电压值和经过移相SPWM调制生成U、V、W三相驱动信号，输入三相变频器10，控制其内的功率电路，进而驱动异步电机50。

在异步电机50运行频率较高时，定子反电势的值比较大，定子电阻上的分压可以忽略不计，采用恒压频比控制方法能获得较好的调速效果。但是，当异步电机50在低频带载运行时，定子反电势较小，而定子电阻压降较大，不能再忽略。如果仍采用定子电压代替定子反电势的方法，那么便会造成气隙磁通减小的问题，影响系统的出力。因此，在低频段必须对定子电阻压降进行补偿。通过异步电机工作原理可知，异步电机50必须产生滑差才能输出电磁转矩，且滑差频率随着负载的增大而增大。在中高频段，跟同步频率相比，滑差频率很小，可忽略不计。但在低频段时，滑差频率跟同步频率相比不能被忽略，必须进行补偿，否则异步电机50带载启动时会发生堵转。

另外，由于恒压频比控制方法是一种开环控制方式，在一定的电磁参数下，正常工作负载范围内也可能产生转矩脉动，引起较大的机械振荡，同时异步电机电流也会出现大幅振荡，严重影响三相变频器10和异步电机50的正常使用，缩短异步电机50和其它电气设备的使用寿命。可见，需要找到一个引起系统振荡的变化量，建立一种有效的负反馈机制，对变化量进行相应的抑制，才能达到稳定异步电机运行的目的。

由上可知，传统恒压频比控制方法存在低速转矩下降、低频振荡、转速精度差等问题，因此为了提高异步电机的竞争力，使其得到更广泛的应用，必须进一步提高其性能，尤其是低速性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其提高了用于三相变频器的异步电机的低速性能，改善了带载启动性能、低频带载能力和速度精度，系统稳定性好。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，它包括主控制步骤，主控制步骤包括：定子频率给定值ω^*经过VF曲线生成器得到定子电压幅值 |U_s|，同时定子频率给定值ω^*还经过积分器得到定子电压相位信息θ^*，定子电压相位信息θ^*经过余弦、正弦计算后分别与定子电压幅值|U_s|相乘得到调制波两相电压值，两相电压值经过坐标变换后得到调制波三相电压值，而后经过移相SPWM调制生成三相驱动信号输入三相变频器，进而驱动异步电机，其特征在于：在主控制步骤上增加反馈补偿步骤，反馈补偿步骤包括定子电阻压降补偿步骤、定子电压幅值补偿步骤和滑差补偿步骤，其中：

定子电阻压降补偿步骤包括：通过采集的三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值、异步电机的空载电流值估算出异步电机的转矩电流值i_T，将基于转矩电流值i_T和定子电阻值R_s得到的定子电阻压降补偿量ΔU_R_s反馈到 VF曲线生成器输出端；

定子电压幅值补偿步骤包括：通过采集的三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值、定子电压相位信息θ^*估算出定子d轴电流补偿量Δi_sd，将基于定子d轴电流补偿量Δi_sd和补偿系数K得到的定子电压幅值补偿量ΔU反馈到 VF曲线生成器输出端；

滑差补偿步骤包括：通过采集的三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值、异步电机的空载电流值估算出异步电机的转矩电流值i_T，将基于转矩电流值i_T和转矩系数K_T得到的滑差补偿量反馈到VF曲线生成器输入端。

本发明的优点是：

本发明方法简单实用，在原有三相变频器上不需要增加额外的硬件设备即可实现，整个控制过程不受异步电机参数约束，鲁棒性高，通用性好，可大大改善异步电机的带载启动性能、低频带载能力和速度精度，带载启动转矩可达到115％额定负载，并能在1Hz低频时满载稳定运行，转速误差可控制在0.1Hz 以内，使异步电机在0～50Hz频率段内都能平稳运行，异步电机的振荡得到了很好的抑制，系统稳定性被有效提高，适于普遍推广应用。

附图说明

图1是典型异步电机恒压频比控制方法的实现原理图。

图2是级联型高压变频器的拓扑结构示意图。

图3是本发明恒压频比控制方法的实现原理图。

具体实施方式

本发明异步电机恒压频比控制方法针对用于普通三相变频器10的异步电机50设计。三相变频器可为高压或低压变频器，可为各种类型变频器，不受局限。图2示出了本发明所适用的级联型高压变频器的结构，在理解本发明实施过程时，可以级联型高压变频器为例来理解。

如图2，级联型高压变频器包括高压电源11、移相变压器12、由3×n个功率单元131(图中示出了3×n个功率单元C_1w～C_nw、C_1v～C_nv、C_1u～C_nu的情形)构成的功率电路13，高压电源11经由移相变压器12与功率电路13相连，功率电路13一方面与异步电机50(高压/低压电机)相连(在实际中，还可与同步电机连接)，另一方面，其内各功率单元131经由光纤接口板与主控箱(图中未示出)相连，受主控箱控制。移相变压器12包括一次侧星形或三角形连接的三相线圈绕组(即A、B、C相线圈绕组)和二次侧移相单元。高压电源 11可由高压电网替代。移相变压器12一般为干式变压器。

如图3，本发明异步电机恒压频比控制方法在现有技术典型的异步电机恒压频比控制方法(简称典型方法)的基础上改进实现，本发明异步电机恒压频比控制方法保留了典型方法原有的主控制步骤，在主控制步骤上增加了反馈补偿步骤，建立了一种有效的负反馈机制，对相关变化量进行了相应的抑制，反馈补偿步骤包括定子电阻压降补偿步骤、定子电压幅值补偿步骤和滑差补偿步骤，具体来讲：

主控制步骤包括：定子频率给定值ω^*经过VF曲线生成器20给定的恒压频比得到定子电压幅值|U_s|，同时定子频率给定值ω^*还经过积分器30得到定子电压相位信息θ^*，定子电压相位信息θ^*经过余弦、正弦计算后分别与定子电压幅值|U_s|相乘得到调制波两相电压值和两相电压值和经过坐标变换后得到调制波三相电压值和而后调制波三相电压值和经过移相SPWM调制生成U、V、W三相驱动信号输入三相变频器10，以通过控制功率电路进而驱动异步电机50。

定子电阻压降补偿步骤包括：通过采集的三相变频器10输出的三相电流中的任意两相电流值、异步电机50的空载电流值估算出异步电机50的转矩电流值i_T，将基于转矩电流值i_T和定子电阻值R_s得到的定子电阻压降补偿量ΔU_R_s反馈到VF曲线生成器20输出端，使定子电阻压降补偿量ΔU_R_s与VF 曲线生成器20输出的定子电压幅值|U_s|做相加运算，实现对异步电机50的定子电阻压降的补偿。

定子电压幅值补偿步骤包括：通过采集的三相变频器10输出的三相电流中的任意两相电流值、定子电压相位信息θ^*估算出定子d轴电流补偿量Δi_sd，将基于定子d轴电流补偿量Δi_sd和补偿系数K得到的定子电压幅值补偿量ΔU 反馈到VF曲线生成器20输出端，使定子电压幅值补偿量ΔU与VF曲线生成器20输出的定子电压幅值|U_s|做相加运算，实现对异步电机50的定子电压幅值的补偿。

滑差补偿步骤包括：通过采集的三相变频器10输出的三相电流中的任意两相电流值、异步电机50的空载电流值估算出异步电机50的转矩电流值i_T，将基于转矩电流值i_T和转矩系数K_T得到的滑差补偿量反馈到VF曲线生成器20输入端，使滑差补偿量与定子频率给定值ω^*做相加运算后输入VF 曲线生成器20，实现滑差的补偿。

进一步来说，求取定子电阻压降补偿量ΔU_R_s的步骤包括：

1)通过采集的三相变频器10的三个输出端中的任意两个输出端上的实时电流，也就是说，采集三相变频器10输出的三相电流中的任意两相电流值计算出异步电机50的实时电流值i；

2)通过异步电机50的实时电流值i和空载电流值估算出异步电机50的转矩电流值i_T；

3)将转矩电流值i_T与定子电阻值R_s相乘得到的结果ΔU_R’_s通过低通滤波器LPF3进行低通滤波得到定子电阻压降补偿量ΔU_R_s。

在实际实施中，异步电机50的实时电流值i基于公式求出，其中：i_su和i_sv为三相变频器10输出的三相电流中的两相电流值，此处仅以示出U、V相电流来举例说明。

在实际实施中，异步电机50的转矩电流值i_T基于公式估算出。

在实际实施中，滤波前的定子电阻压降补偿量ΔU_R’_s基于公式ΔU_R’_s＝R_s×i_T求出。

进一步来说，求取定子电压幅值补偿量ΔU的步骤包括：

1)基于旋转变换公式(公知公式)，通过采集的三相变频器10的三个输出端中的任意两个输出端上的实时电流，也就是说，采集的三相变频器10输出的三相电流中的任意两相电流值，以及定子电压相位信息θ^*估算出定子d轴电流值i_sd；

2)定子d轴电流值i_sd经过第一低通滤波器LPF1低通滤波后得到的结果减去定子d轴电流值i_sd经过第二低通滤波器LPF2低通滤波后得到的结果，得到定子d轴电流补偿量Δi_sd，其中：第一低通滤波器LPF1的截止频率远大于第二低通滤波器LPF2的截止频率；

3)基于定子d轴电流补偿量Δi_sd以及补偿系数K得到定子电压幅值补偿量ΔU。

在实际实施中，定子电压幅值补偿量ΔU基于公式ΔU＝K×Δi_sd求出。

进一步来说，计算滑差补偿量的步骤包括：

1)通过采集的三相变频器10的三个输出端中的任意两个输出端上的实时电流，也就是说，采集三相变频器10输出的三相电流中的任意两相电流值计算出异步电机50的实时电流值i；

2)通过异步电机50的实时电流值i和空载电流值估算出异步电机50的转矩电流值i_T；

3)将转矩电流值i_T与转矩系数K_T相乘得到的结果通过低通滤波器 LPF4进行低通滤波得到滑差补偿量

同样地，在实际实施中，异步电机50的实时电流值i基于公式求出，其中：i_su和i_sv为三相变频器10输出的三相电流中的两相电流值，此处仅以示出U、V相电流来举例说明。

异步电机50的转矩电流值i_T基于公式估算出。

滤波前的滑差补偿量基于公式求出。

进一步地，转矩系数K_T基于异步电机50的额定参数求出，具体来说，其基于下式求出：

式中：ω_{sl_rate}为异步电机50的额定转差频率，可通过异步电机50的额定参数得到，i_{T_rate}为异步电机50的额定转矩电流值，其中i_rate为异步电机50的额定电流值。

本发明方法简单实用，在原有三相变频器上不需要增加额外的硬件设备即可实现，整个控制过程不受异步电机参数约束，鲁棒性高，通用性好，可大大改善异步电机的带载启动性能、低频带载能力和速度精度，带载启动转矩可达到115％额定负载，并能在1Hz低频时满载稳定运行，转速误差可控制在0.1Hz 以内，使异步电机在0～50Hz频率段内都能平稳运行，异步电机的振荡得到了很好的抑制，系统稳定性被有效提高，适于普遍推广应用。

1)通过估算异步电机的转矩电流实现了定子电阻压降的有效补偿，提高了异步电机的带载启动性能和低频带载能力。

2)通过估算定子d轴电流值实现了定子电压幅值的补偿，有效抑制了在固有振荡点处的电流振荡和机械振荡，提高了速度精度，提高了系统稳定性。

3)根据励磁电流和转矩电流的不同作用，通过估算异步电机的转矩电流还实现了滑差的有效补偿，确保了系统的稳定性。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，它包括主控制步骤，主控制步骤包括：定子频率给定值ω^*经过VF曲线生成器得到定子电压幅值|U_s|，同时定子频率给定值ω^*还经过积分器得到定子电压相位信息θ^*，定子电压相位信息θ^*经过余弦、正弦计算后分别与定子电压幅值|U_s|相乘得到调制波两相电压值，两相电压值经过坐标变换后得到调制波三相电压值，而后经过移相SPWM调制生成三相驱动信号输入三相变频器，进而驱动异步电机，其特征在于：在主控制步骤上增加反馈补偿步骤，反馈补偿步骤包括定子电阻压降补偿步骤、定子电压幅值补偿步骤和滑差补偿步骤，其中：

定子电阻压降补偿步骤包括：通过采集的三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值、异步电机的空载电流值估算出异步电机的转矩电流值i_T，将基于转矩电流值i_T和定子电阻值R_s得到的定子电阻压降补偿量ΔU_R_s反馈到VF曲线生成器输出端；

定子电压幅值补偿步骤包括：通过采集的三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值、定子电压相位信息θ^*估算出定子d轴电流补偿量Δi_sd，将基于定子d轴电流补偿量Δi_sd和补偿系数K得到的定子电压幅值补偿量ΔU反馈到VF曲线生成器输出端；

滑差补偿步骤包括：通过采集的三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值、异步电机的空载电流值估算出异步电机的转矩电流值i_T，将基于转矩电流值i_T和转矩系数K_T得到的滑差补偿量反馈到VF曲线生成器输入端。

2.如权利要求1所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

求取所述定子电阻压降补偿量ΔU_R_s的步骤包括：

1)通过采集的所述三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值计算出所述异步电机的实时电流值i；

2)通过所述异步电机的实时电流值i和空载电流值估算出所述异步电机的转矩电流值i_T；

3)将转矩电流值i_T与定子电阻值R_s相乘得到的结果ΔU_R’_s通过低通滤波得到所述定子电阻压降补偿量ΔU_R_s。

3.如权利要求2所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

所述异步电机的实时电流值i基于公式求出，其中：i_su和i_sv为所述三相变频器输出的三相电流中的两相电流值；

所述异步电机的转矩电流值i_T基于公式估算出。

4.如权利要求1所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

求取所述定子电压幅值补偿量ΔU的步骤包括：

1)基于旋转变换公式，通过采集的所述三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值以及定子电压相位信息θ^*估算出定子d轴电流值i_sd；

2)定子d轴电流值i_sd经过第一低通滤波器滤波后得到的结果减去定子d轴电流值i_sd经过第二低通滤波器滤波后得到的结果，得到所述定子d轴电流补偿量Δi_sd，其中：第一低通滤波器的截止频率远大于第二低通滤波器的截止频率；

3)基于所述定子d轴电流补偿量Δi_sd以及所述补偿系数K得到所述定子电压幅值补偿量ΔU。

5.如权利要求4所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

所述定子电压幅值补偿量ΔU基于公式ΔU＝K×Δi_sd求出。

6.如权利要求1所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

计算所述滑差补偿量的步骤包括：

1)通过采集的所述三相变频器输出的三相电流中的任两相电流值计算出所述异步电机的实时电流值i；

2)通过所述异步电机的实时电流值i和空载电流值估算出所述异步电机的转矩电流值i_T；

3)将转矩电流值i_T与转矩系数K_T相乘得到的结果通过低通滤波得到所述滑差补偿量

7.如权利要求6所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

所述异步电机的实时电流值i基于公式求出，其中：i_su和i_sv为所述三相变频器输出的三相电流中的两相电流值；

所述异步电机的转矩电流值i_T基于公式估算出；

所述滤波前的滑差补偿量基于公式求出。

8.如权利要求7所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

所述转矩系数K_T基于下式求出：

式中：ω_{sl_rate}为所述异步电机的额定转差频率，i_{T_rate}为所述异步电机的额定转矩电流值，其中i_rate为所述异步电机的额定电流值。

9.如权利要求1至8中任一项所述的用于三相变频器的异步电机恒压频比控制方法，其特征在于：

所述三相变频器为高压或低压变频器。