CN1567707A - 高性能通用异步电动机电流反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高性能通用异步电动机电流反馈控制方法，包括：通过电流传感器检测出异步电机的2相电流；通过瞬时无功功率理论经过坐标变换，将检测电流分解得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；利用PI调节器对无功电流进行控制，使无功电流保持恒定；利用有功电流和无功电流得到瞬时电流幅值，并与电流限幅值进行比较，控制变频器防止其因负载变化而发生过流保护。电机转速特别是低速时运转平稳，同时，使电机的低速时输出转矩得到的提升。

Description

高性能通用异步电动机电流反馈控制方法

技术领域：本发明是一种高性能通用异步电动机电流反馈控制方法，应用于三相异步电动机的变频调速领域。

背景技术：我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿干瓦时，约占工业耗电量的80％。我国各类在用电机中，80％以上为0.55～220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右。所以交流调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

通过对逆变器进行实时控制可以得到各种不同性能特点的变频调速控制系统。随着微电子技术的发展，数字控制已经成为变频调速控制系统的主流。因此，一般都是采用高性能的微处理器如单片机、DSP等为核心构成控制系统，驱动逆变器开关器件的导通与关断，控制施加在电动机上的三相电压，从而达到对电动机进行灵活高性能控制的目的。目前，常规电压和中小功率范围内的开环VVVF(变压变频)控制的电压型逆变器技术已经成熟，产品已经广泛出现在市场上；以矢量控制和转矩直接控制为代表的闭环高性能控制电压型逆变器也已经出现了成功的产品。

尽管矢量控制和直接转矩控制等高性能变频器能够使异步电机调速系统达到与直流调速系统相同或相似的控制效果，但是复杂的控制和高性能的要求也带来了高成本、操作复杂、对电机参数敏感等缺点。在另外一个方面，绝大部分的异步电机是在风机、水泵应用领域作为驱动系统使用的，因此对调速性能的要求并不是很高，但是要求系统价格低廉、使用简便、工作可靠。因此，通用变频器完全能够满足上述使用要求。

V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意，特别是在低速时电机转速不稳定，而且低速时输出转矩大幅度降低。因此需要对V/f曲线进行补偿，但是这种补偿很难跟踪电机负载的变化。负载冲击和起动过快时会引起变频器过流保护。

发明内容：在一些生产机械设备的应用领域需要成本低且性能介于普通VVVF控制和高性能矢量控制或直接转矩控制之间的变频调速系统。为此，我们提出了一种“高性能通用异步电动机电流反馈控制方法”，其主要目的就是在硬件成本增加不多的基础上提高变频器的性能，特别是低速性能。该新型变频器不仅具有通用变频器低成本的特点，还同时具有比通用变频器更高的控制性能，以适应不同的应用场合。

本发明是基于通用变频器的新型控制方法。该方法利用了“瞬时无功理论”在VVVF控制的基础上加入了新型的电流反馈控制。三相电路瞬时无功功率理论最早提出于20世纪80年代，该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，提出了瞬时无功电流反馈控制的方法。该控制方法以DSP或单片机为控制核心，通过电流传感器检测电机的瞬时无功电流，和总电流幅值进行控制。

1、通过电流传感器检测出异步电机的2相电流(而不是3相电流，降低硬件成本)。

2、通过瞬时无功功率理论经过坐标变换，将检测电流分解得到瞬时有功电流和瞬时无功电流。

3、利用PI调节器对无功电流进行控制，使无功电流保持恒定。

4、利用有功电流和无功电流得到瞬时电流幅值，并与电流限幅值进行比较，控制变频器防止其过流保护。

具体地说，该方法包括：

(1)、通过电流传感器得到的电流首先经过a-b-c坐标系到α-β坐标系的3-2变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]$

(2)、固定α-β坐标系下的瞬时电流i_α、i_β通过坐标变换得到瞬时无功电流i_d和瞬时有功电流i_q，其中θ是旋转d-q坐标系和固定α-β坐标系的夹角，旋转变换为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

(3)、给定的无功电流参考值i_dref通过电机额定转速下的空载试验得到。

由瞬时无功电流i_d和瞬时有功电流i_q可以得到瞬时电流幅值：

$I=\sqrt{i_d^2+i_q^2}$

(4)、瞬时电流幅值I用于控制变频器不会因负载变化而过流保护。

保持电机磁通恒定，是提高电机调速性能的关键因素之一。通过上述方案的实施，可以有效地控制异步电机的无功功率保持恒定，因此可以近似认为异步电机的主磁通在电机调速过程中保持恒定。而传统的通用变频器只能做近似的补偿，力求使电机磁通保持恒定。但是这种补偿无法胜任所有电机和所有负载工况。本发明则很好的解决了这一难题，使得电机磁通在任何负载条件下都能够保持恒定。

由于对电机磁通进行了间接控制，因此电机转速特别是低速时运转平稳，同时，使电机的低速时输出转矩得到的提升。而传统的通用变频器在低速时转速会发生抖动，而且输出转矩也明显下降。

附图说明：图1是本发明的详细控制框图；

图2是本发明的3-2坐标变换示意图；

图3是本发明的旋转坐标变换示意图。

具体实施方式：

如图1为本发明的详细控制框图。其中包括输出电流检测、a-b-c坐标系到α-β坐标系的3-2变换、固定坐标系(α-β坐标系)到旋转坐标系(d-q坐标系)的旋转变换、无功电流反馈控制、电流幅值的限幅控制、电压参考值设定、空间矢量PWM(SVPWM)波形生成、电压型逆变器(VSI)等几个部分。

通过电流传感器得到的电流首先经过a-b-c坐标系到α-β坐标系的3-2变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]---\left(1\right)$

上述变换可以从图2中看到，任意时刻的a-b-c三相电流都可以合成一个空间电流矢量_i ^ρ。通过公式(1)可以将a-b-c坐标系下的电流变换到α-β坐标系下的i_α、i_β。

由于电压矢量是以给定频率旋转的，因此可以将直角坐标系的一个轴固定在电压矢量上，我们定义为q轴见图3。，则d-q坐标系是与电压矢量同步旋转的，因此α-β坐标系(固定坐标系)下的瞬时电流i_α、i_β可以通过旋转坐标变换得到瞬时无功电流i_d和瞬时有功电流i_q。其中θ是d-q坐标系(旋转坐标系)和α-β坐标系(固定坐标系)的夹角。旋转变换为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(2\right)$

由于无功电流i_d与电压矢量U正交，因此，i_d为励磁电流分量，通过控制i_d可以使电机磁通保持恒定。而给定的无功电流参考值i_dref可以通过电机额定转速下的空载试验得到。

由瞬时无功电流i_d和瞬时有功电流i_q可以得到瞬时电流幅值：

$I=\sqrt{i_d^2+i_q^2}---\left(3\right)$

瞬时电流幅值I可以用于控制变频器，使之不会因为负载的变化而过流保护。具体控制如下。当瞬时电流幅值I大于设定电流最大值时立即减小输出电压，即可使输出电流的幅值降到允许的水平从而防止过流保护，造成停机的损失。

Claims (2)

1、一种高性能通用异步电动机电流反馈控制方法，其特征是：该方法包括：

(1)、通过电流传感器检测出异步电机的2相电流；

(2)、通过瞬时无功功率理论经过坐标变换，将检测电流分解得到瞬时有功电流和瞬时无功电流；

(3)、利用PI调节器对无功电流进行控制，使无功电流保持恒定；

(4)、利用有功电流和无功电流得到瞬时电流幅值，并与电流限幅值进行比较，控制变频器防止其因负载变化而发生过流保护。

2、根据权利要求1所述的高性能通用异步电动机电流反馈控制方法，其特征是：该方法包括：

(1)、通过电流传感器得到的电流首先经过a-b-c坐标系到α-β坐标系的3-2变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]$

(2)、固定α-β坐标系下的瞬时电流i_α、i_β通过坐标变换得到瞬时无功电流i_d和瞬时有功电流i_q，其中θ是旋转d-q坐标系和固定α-β坐标系的夹角，旋转变换为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

(3)、给定的无功电流参考值i_dref通过电机额定转速下的空载试验得到。由瞬时无功电流i_d和瞬时有功电流i_q可以得到瞬时电流幅值：

$I=\sqrt{i_d^2+i_q^2}$

(4)、瞬时电流幅值I用于控制变频器不会因负载变化而过流保护。

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