CN1505249A - 可抑制开环系统振荡的变频器控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种采用微分负反馈电压矢量相位、幅值协调的控制方案对VVVF开环系统中空载或轻载情况下的振荡进行抑制的变频器控制方法及装置，有以下步骤：产生参考频率；将参考频率与频率修正量叠加得到修正后的频率；利用修正后的频率控制脉宽调制波的相位；由上述脉宽调制波控制所述变频器；其中，频率修正量是通过以下步骤产生的：检测逆变器的母线电压；对所述的母线电压作比例－微分变换，得到频率修正量。这种控制方法及装置，由于无须使用电机参数，不需要通常的转速及电流调节器，通过母线电压微分反馈控制，有效解决了控制系统中存在的振荡问题。因为没有采用常规的电流、转速调节器，使得系统实现十分简单，鲁棒性强，可以适应不同种类的感应电机，简单而实用。

Description

可抑制开环系统振荡的变频器控制方法及装置

技术领域

本发明涉及变频器控制技术，具体涉及一种可对VVVF开环系统中空载或轻载情况下的振荡进行抑制的变频器控制方法及装置。

背景技术

VVVF系统是当前使用最为广泛的变频器控制系统，根据用户选择的V/F特性可方便地实现变频变压调速。此类开环系统尽管存在低速力矩不足、动态响应欠佳等缺点，但由于使用时不依赖于电机参数，使用简单，并可方便实现多机拖动，因此在风机、泵类驱动上应用十分广泛。图1示出典型的通用变频器VVVF控制系统。该类开环系统中同时存在固有的不稳定性，在某些运行频段，特别是半基频附近(20Hz～30Hz)，易出现持续振荡以至跳闸。在空、轻载运行情况下，这一问题尤为突出，限制了此类开环系统的运行调速范围。研究表明，VVVF系统中的振荡特性与电机定子电阻、瞬态漏抗的大小有关，并与逆变回路的死区时间设置存在密切的关系。常规的VSI驱动VVVF系统中，死区时间内一个相上下桥臂均处于关断状态，负载侧能量向主回路电容侧回馈，因此稳定运行时仍然存在有功及无功能量的波动。这一波动导致转矩波动及电机转速波动，在空载、轻载等阻尼较轻的情况下，激发电机转子持续振荡，变频器输出电流大幅振荡，继而引起跳闸，因此，必须采取措施抑制的振荡。当已知电机参数时，引入速度环或电流环来抑制振荡是容易的；但是VVVF控制的通用变频器驱动极数及容量各不相同的感应电机，没有任何依赖于电机参数的调节器，此时要抑制振荡则较为困难。

从目前的技术发展来看，通用变频器中无须电机参数，在不引入任何与之相关的转速、电流调节器的条件下，主要存在以下几种振荡抑制方法：1)逆变器直流侧电流检测，根据直流侧电流的方向判断振荡是否存在，并通过频率调节主动控制有功、无功能量流动来抑制振荡。这种方法由于需要检测直流侧电流，因此必须在直流侧串接采样电阻，同时增加相应的振荡鉴别电路。这一方案在通常直接检测交流侧输出电流的变频器中无法实现。2)直接根据变频器交流侧输出电流幅值变化，通过微分负反馈控制进行频率调节，依此进行振荡抑制。如图2所示。这种方法基于以下认识：振荡发生时电流矢量相对电压矢量相位角出现一定形式的波动，因此通过电压矢量位置角的扰动来抑制电流矢量相位的变化。这种方法缺乏严格的理论证明，无法保证在驱动不同功率及极对数的电机时均能有效。本发明人对不同功率电机的实验结果亦证明了这一点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可抑制开环系统振荡的变频器控制方法及装置，可以在独立于相关转速、电流调节器的条件下抑制回路中轻载或空载时的振荡问题。

本发明上述技术问题的解决基于以下分析：电机运行振荡时，变频器输出侧电流幅值及相位均呈现大幅波动，因此，如能通过采样逆变器母线电压，对电流幅值及相位的进行适当的反馈控制，亦即通过变频器输出电压、频率的协调控制，进而有效抑制振荡。

基于这一思想，本发明这样解决上述技术问题，构造一种可抑制开环系统振荡的变频器控制方法，即一种微分负反馈电压矢量相位、幅值协调的控制方案，具体包括以下步骤：产生参考频率；将参考频率与频率修正量叠加得到修正后的频率；利用修正后的频率控制脉宽调制波的相位；由上述脉宽调制波控制所述变频器；其特征在于，所述频率修正量是通过以下步骤产生的：检测逆变器的母线电压；对所述的母线电压作比例一微分变换，得到频率修正量。

在上述可抑制开环系统振荡的变频器控制方法中，还包括：由所述参考频率产生控制所述脉宽调制波幅值的电压的步骤。

在上述可抑制开环系统振荡的变频器控制方法中，对所述母线电压作比例一微分变换，包括以K_p1为比例因数、以τ₁为时间常数对所述母线电压U_dc进行低通滤波变换得到第一调节量的步骤；以K_p2为比例因数、以τ₂为时间常数对母线电压U_dc进行低通滤波变换得到第二调节量的步骤；将第一和第二调节量进行合成，得到频率修正量。

在上述可抑制开环系统振荡的变频器控制方法中，τ₁》τ₂，K_p2＝K_p1。

本发明另一目的这样实现，构造一种可抑制开环系统振荡的变频器控制装置，包括：参考频率产生装置；用于将参考频率与频率修正量叠加的加法器；根据修正后的频率控制逆变器的脉宽调制器；其特征在于，还包括：用于采样逆变器母线电压的采样装置；将母线电压比例微分变换后，输出频率修正量的频率修正装置。

在上述可抑制开环系统振荡的变频器控制装置中，还包括：接收参考频率信号，产生控制脉宽调制器控制电压的电压转换装置。

在上述可抑制开环系统振荡的变频器控制装置中，所述频率修正装置包括：接收母线电压信号，分别进行两个不同的低通滤波变换，并输出第一频率修正量、第二频率修正量的第一频率修正装置和第二频率修正装置；将第一频率修正量和第二频率修正量相加，输出频率修正量的第二加法器。

在上述可抑制开环系统振荡的变频器控制装置中，所述第一、第二频率修正装置中微分环节的时间系数分别为τ₁和τ₂，比例环节的比例系数分别为K_p1和K_p2，其中τ₁＞＞τ₂，K_pi＝K_p2。

实施本发明提供的可抑制开环系统振荡的变频器控制方法及装置，由于无须使用电机参数，不需要通常的转速及电流调节器，通过母线电压微分反馈控制，有效地解决了VVVF控制系统中存在的振荡问题。因为没有采用常规的电流、转速调节器，使得系统实现十分简单，鲁棒性强，可以适应不同种类的感应电机。理论分析及实践均表明，本发明的这种控制方法和装置简单而实用，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是现有技术中典型通用变频器VVVF控制系统；

图2是现有技术基于逆变器输出电流幅值的控制框图；

图3是电压定向的坐标系统的示意图；

图4是母线电容充电电流示意图；

图5是本发明的振荡抑制方法的原理性示意图；

图6是本发明的振荡抑制方法实施例逻辑框图；

图7是实现本发明方法的程序流程示意图；

图8是变频器载波频率为6K情况下，电机空载运行在24.70Hz的电流波形图；

图9是采用本发明方法后变频器载波频率为6K情况下，电机空载运行在24.70Hz的电流波形图。

具体实施方式

本发明是为解决轻载情况下VVVF系统的振荡问题，本发明控制方法及装置是基于图3所示的电压矢量定向的坐标系统进行。该坐标系中，电流矢量与电压矢量的夹角为功率因数角。电流矢量在电压矢量方向的投影即电机有功电流，而在垂直方向上的投影即电机无功电流。在运行频率较高时，电机有功电流即反映了电机转矩电流的大小。由于VVVF方式下电机振荡运行点通常大于5Hz，因此分析时可以认为电流矢量的d轴分量即反映了电机瞬时转矩电流，检测该分量的变化就能间接的检测电磁转矩的波动情况。根据电机的机电平衡方程：

$T_e-T_l=J\frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

           T_e＝K₁i_sd             (2)

由(2)可得：

           ΔT_e＝K₁Δi_sd         (3)

这里假设负载恒定，综合(1)、(3)采用小信号分析可以得到在稳定运行平衡点附近有：

${\mathrm{\ΔT}}_e=J\frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=K_1{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{sd}}---\left(4\right)$

亦即：

$\frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=\frac{K_1}{J}{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{sd}}---\left(5\right)$

显然，如果运行频率恒定，则有：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_s}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=-\frac{K_1}{J}{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{sd}}---\left(6\right)$

式中ω_s为瞬时滑差角频率。

另一方面，如图4所示，根据能量守衡原理，直流侧母线电容电流(以放电电流方向为正向)为：

$i_{\mathrm{dc}2}=\frac{u_s\·i_{\mathrm{sd}}}{U_{\mathrm{dc}}}---\left(7\right)$

轻载及空载情况下，恒速稳定运行时，i_c≈0，母线电压基本恒定；出现不稳定状态时，可以认为由于i_dc2的变化引起i_c变化，从而导致母线电压波动，此时可以得到：

${\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}}=-{\∫}_0^{T_s}\frac{u_s\·{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{sd}}}{C_{\mathrm{dc}}\·U_{\mathrm{dc}}}\mathrm{dt}---\left(8\right)$

式中ω₁为定子电角频率，T_s为母线电压采样周期，在该采样周期内近似认为Δi_sd不变，则有：

$\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}}}{T_s}=-\frac{u_s\·{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{sd}}}{C_{\mathrm{dc}}\·U_{\mathrm{dc}}}---\left(9\right)$

(9)式推导结果事实上可以通过以下物理意义进行解释：

在稳定运行平衡点附近，当电磁转矩波动引起电机转速增加时，电机处于发电运行状态，将能量回馈至直流侧，引起母线电压上升，此时需要增加定子运行频率来抑制转速的增加及母线电压上升；相反，当电机电磁转矩波动引起电机转速减小，电机处于电动状态，母线电压降低，此时需要降低定子运行频率来抑制电机转速减小及母线电压的降低。通过这一微分负反馈控制，有效的抑制了电机转速的波动，从而避免了轻空载状态下的不稳定运行状态。稳定状态下，母线电压保持不变，频率调节不起作用。以上控制基本思想是控制电机转子速度稳定，同时最终控制母线电压相对稳定。

上图中，系统采样的母线电压分别经过两个低通滤波环节处理后合成为最终的微分处理信号，这主要是考虑到直接进行微分运算时噪声的影响，系统采用两个时间常数不同的低通滤波环节处理后合成获得频率调节量。实际系统设计时，K_p1＝K_p2，τ₁＞＞τ₂。

以上控制方案可以通过图5表示。为抑制开环系统振荡，变频器控制包括这样一些环节：产生参考频率501；将参考频率与频率修正量叠加得到修正后的频率502；利用修正后的频率控制脉宽调制波的相位503；由上述脉宽调制波控制所述变频器504；提供进行叠加的频率修正量这样产生：检测逆变器的母线电压505；对所述的母线电压作比例一微分变换得到频率修正量506以及由参考频率产生控制所述脉宽调制波幅值的电压的环节507。

图5技术方案还可以进一步用图6表示对所述母线电压作比例一微分变换的实现细节，具体有：包括以K_p1为比例因数、以τ₁为时间常数对所述母线电压U_dc进行低通滤波变换得到第一调节量601；以K_p2为比例因数、以τ₂为时间常数对母线电压U_dc进行低通滤波变换得到第二调节量602；将上述第一和第二调节量进行合成，得到频率修正量603。其中，τ₁＞＞τ₂，K_p2＝K_p1。

本发明上述方法可采用软件实现，图7示出了具体实现的软件框图。从流程图来看其软件实现包括以下几个环节：母线电压采样(框701)、微分环节处理(框702)、频率调节限幅(框703)、频率调节量滤波(框704)以及运行频率更新(框705)。

本发明的装置可以采用和图6和图7对应的逻辑模块实现。

应用本发明上述变频器控制方法和装置的实验结果如下：采用上述方案驱动一变频电机，该电机参数如下：额定电压：380V，额定电流：24A，额定功率：7.5KW，额定转速：1165rpm，额定运行频率60HZ。若无任何振荡抑制措施，VVVF系统驱动该电机运转，电机空载情况下在20~30HZ容易震荡，图8为变频器载波频率为6K情况下，电机空载运行在24.70HZ的电流波形，图中一格表示10A。

采用上述振荡抑制方案，变频器驱动电机运转，电机空载情况下在1~60HZ运行平稳，图9为变频器载波频率为6K情况下，电机空载运行在24.70HZ的电流波形，图中的一格表示10A。

Claims (8)

1、一种可抑制开环系统振荡的变频器控制方法，包括以下步骤：产生参考频率；将参考频率与频率修正量叠加得到修正后的频率；利用修正后的频率控制脉宽调制波的相位；由上述脉宽调制波控制所述变频器；其特征在于，所述频率修正量是通过以下步骤产生的：检测逆变器的母线电压；对所述的母线电压作比例-微分变换，得到频率修正量。

2、根据权利要求1所述可抑制开环系统振荡的变频器控制方法，其特征在于，还包括：由所述参考频率产生控制所述脉宽调制波幅值的电压的步骤。

3、根据权利要求1或2所述可抑制开环系统振荡的变频器控制方法，其特征在于，对所述母线电压作比例-微分变换，包括以K_p1为比例因数、以τ₁为时间常数对所述母线电压U_dc进行低通滤波变换得到第一调节量的步骤；以K_D2为比例因数、以τ₂为时间常数对母线电压U_dc进行低通滤波变换得到第二调节量的步骤；将第一和第二调节量进行合成，得到频率修正量。

4、根据权利要求3所述可抑制开环系统振荡的变频器控制方法，其特征在于，τ₁》τ₂，K_p2＝K_p1。

5、一种可抑制开环系统振荡的变频器控制装置，包括：参考频率产生装置；用于将参考频率与频率修正量叠加的加法器；根据修正后的频率控制逆变器的脉宽调制器；其特征在于，还包括：用于采样逆变器母线电压的采样装置；将母线电压比例微分变换后，输出频率修正量的频率修正装置。

6、根据权利要求5所述可抑制开环系统振荡的变频器控制装置，其特征在于，还包括：接收参考频率信号，产生控制脉宽调制器控制电压的电压转换装置。

7、根据权利要求5或6所述可抑制开环系统振荡的变频器控制装置，其特征在于，所述频率修正装置包括：接收母线电压信号，分别进行两个不同的低通滤波变换，并输出第一频率修正量、第二频率修正量的第一频率修正装置和第二频率修正装置；将第一频率修正量和第二频率修正量相加，输出频率修正量的第二加法器。

8、如权利要求7所述可抑制开环系统振荡的变频器控制装置，其特征在于：所述第一、第二频率修正装置中微分环节的时间系数分别为τ₁和τ₂，比例环节的比例系数分别为K_p1和K_p2，其中τ₁＞＞τ₂，K_p1＝K_p2。

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