異步電機V/f調速輕載振蕩抑制方法研究

王天雷，張京玲，賀躍幫，王 柱，顏健毅

(五邑大學，江門 529020)

異步電機V/f調速輕載振蕩抑制方法研究

王天雷，張京玲，賀躍幫，王 柱，顏健毅

(五邑大學，江門 529020)

針對異步電機V/f控制在空載及輕載狀態出現的電流振蕩現象，分析得出振蕩原因在于定子無功電流分量振蕩造成的電機定子磁鏈及電磁轉矩振蕩。在定子電壓矢量定向坐標系中，對定子無功電流分量進行振蕩抑制，電流和轉速得以穩定。該方法在通用變頻調速裝置上由軟件實現，不需要額外的硬件成本。實驗結果驗證所述方法的有效性，目前已應用于通用變頻器產品中，取得了良好的經濟效益。

異步電機；V/f控制；振蕩抑制

0 引 言

目前，異步電機變頻調速的控制方式有恒壓頻比(V/f)控制、矢量控制(VC)、直接轉矩控制(DTC)、轉差頻率控制等方法[1]。VC控制方式雖有較高精度，但其對電機參數高度依賴，準確觀測轉子磁鏈的困難，以及矢量旋轉變換的復雜性，通常需另加速度傳感器，因而限制了該方法的實際應用。通用變頻調速技術雖然控制精度稍差，但該方式不依賴電機參數，無需速度傳感器,控制方式簡單，易實現等特點[2]，在實際工程中應用較為普遍。通用設備，如水泵、風機和壓縮機等由于對轉速精度無很高要求，在采用變頻調速系統中，經常是采用V/f控制模式。據統計，目前市面大約有50%低壓變頻器產品采用V/f控制，其余則采用開環矢量、閉環矢量、DTC或其他控制方式[3]。由此可以看出，對通用變頻調速V/f控制方式的性能進行研究改進，消除空載或輕載振蕩，使其得到更廣泛的應用，具有十分重要意義。

本文研究異步電機V/f控制空載或輕載振蕩現象進行，對定子無功電流分量進行振蕩抑制，提高了V/f調速系統的穩定性，實驗結果驗證所述方法的有效性。

1 V/f調速輕載振蕩分析

采用PWM供電方式，交流異步電機在輕載或者空載時，往往會在一個較寬的頻段產生局部運行不穩定現象。測試與分析均表明，電機運行在這段時間，出現較大的電流幅值變化和輸出頻率變動，即產生電流振蕩。上述現象可能結果是系統因為過電流發生誤報警，導致系統工作時可靠性和穩定性下降。產生振蕩原因有很多，如定子電阻、轉子慣量、死區時間、DC濾波電容、載波頻率、系統共振頻率等，比較普遍的觀點是電機和變頻器在能量交換過程中引起的[4-5]。

對死區效應進行補償后，往往并不能將振蕩徹底抑制。當系統產生振蕩時，實時地改變相應的輸出頻率或電壓，并通過電流形成一個負反饋系統，是一種有效方法[6]。但由于不同電機產生振蕩的頻率范圍存在差異，從而限制了該方法適用范圍。此外，該方法還可能導致控制的效果下降，系統的魯棒性降低。文獻[7]提出了一種更為精確、有效智能控制方法，但該方法實現困難，主要原因是硬件條件要求高，比軟件算法較復雜，難以推廣。

本文采用的方法是對電機電流進行同步坐標變換，將定子電流進行分解，直接控制影響能量交換的磁通勵磁電流分量，即分解異步電機的有功電流分量和無功電流分量，抑制無功電流的振蕩成份，達到較好的抑制采用V/f調速時異步電機時出現的振蕩，提高系統的穩定性和魯棒性。

2 V/f調速輕載振蕩的抑制

2.1 系統穩定性方法

相關理論分析表明，空載、輕載振蕩主要與無功電流振蕩造成的電機定子磁鏈及電磁轉矩振蕩有關，通過抑制無功電流振蕩，可以避免電機振蕩[8]。文獻[9]對無功電流電流振蕩抑制是采用對無功電流進行閉環調節以使無功電流穩定的方法。本文采用電壓補償控制方法抑制異步電機V/f調速輕載振蕩，基本思路是使無功電流穩定，使電機定子磁鏈穩定。具體方法是無功電流增大時減小定子電壓，使無功電流減小，而無功電流減小時增大電機定子電壓，使無功電流增加，保證感應電機V/f控制系統始終處于穩定運行狀態。

圖1 異步電機穩態等效電路

由圖1可以看出異步電機穩態電路呈阻感特性，定子電流可以分解為有功分量id和無功分量iq，無功分量滯后有功分量90°。在兩相同步旋轉d-q坐標系中分析，定義d-q坐標系的d軸按定子電壓矢量V定向，在d-q坐標系下，定子矢量I滯后電壓矢量V，電流矢量在d-q坐標系的兩個分量id,iq分別為有功電流、無功電流，如圖2所示。

圖2 定子電流矢量分解示意圖

結合以上分析可知，電機穩定運行時，iq恒定，而電機振蕩時，iq振蕩明顯。為抑制電機振蕩，需提取iq的振蕩成分并通過調整定子電壓幅值使振蕩成分衰減至0，這是通過下述式(1)和式(2)來實現的。

通過式(1)可提取iq的振蕩成分Δiq。

(1)

圖3 無功電流振蕩分量示意圖

根據Δiq對定子電壓幅值進行調整：

(2)

式中：V′為V/f曲線輸出電壓，k為振蕩抑制系數。式(2)中，k>0，結合圖3，在d-q坐標系中，iq<0，式(2)的調整效果使得：當iq幅值增大時(此時Δiq<0)定子電壓幅值減小，使iq幅值往減小方向調整；當iq幅值減小時(此時Δiq>0)定子電壓幅值增大，使iq幅值往增大方向調整。則式(2)的調整過程是穩定的，調整的結果是Δiq趨于0。

根據以上分析可以得到帶振蕩抑制措施的V/f調速系統，如圖4所示。因V/f控制無限制起動和制動電流的功能，給定頻率需經過給定積分器產生平緩的加速或減速信號；采用空間電壓矢量脈沖寬度調制(SVPWM)，根據定子電壓矢量的幅值V和相位θ生成6路PWM信號，控制逆變器中的IGBT，完成逆變驅動。

圖4 穩定化的V/f調速系統框圖

感應電機V/f控制系統由硬件驅動部分和軟件程序部分組成，本文設計了感應電機通用變頻調速系統硬件平臺，該平臺采用了數字電機專用芯片DSP(TMS2812)作為主控芯片，并通過軟件實現了在該平臺上的感應電機V/f調速控制。

2.2 硬件設計

感應電機V/f控制系統硬件主要包括主電路、DSP控制和驅動電路，此外還包括檢測、保護、開關電源和外部接口電路等。采用TMS320F2812作為V/f調速系統主控芯片。該芯片有32位定點處理器，具有運算能力強和外設模塊完備等特點，可使驅動控制器硬件電路的設計得以簡化，提高系統實時處理能力，滿足各種先進控制算法的實現。功率模塊采用富士PIM模塊7MBR50SB-120，該模塊內含三相整流器和逆變器，用于不控整流和逆變處理。V/f調速系統硬件框圖如圖5所示。

圖5 V/f調速系統硬件框圖

2.3 軟件設計

軟件設計主要包括初始化程序和定時中斷程序。初始化程序對DSP事件管理器、中斷向量表、I/O端口、A/D轉換器等進行設置，并對變量賦初值。

本文設置TMS320F2812事件管理器EVA的定時器T1工作在連續增/減計數模式，定時周期為0.1 ms，定時器T1是EVA比較單元的時基，可輸出3組6路PWM信號，在定時器T1下溢中斷服務程序中執行大部分的算法程序都在這部分實現，如電流采樣、V/f控制策略、SVPWM的產生等。初始化完成后使能中斷進入主循環等待中斷發生，定時器T1中斷程序流程如圖6所示。當定時器T1下溢中斷到來，啟動A/D轉換，采樣定子電流、直流母線電壓等變量，根據V/f曲線，計算定子電壓矢量幅值和相位，提取無功電流振蕩成分，調整定子電壓矢量幅值并由SVPWM(空間矢量脈寬調制)生成6路占空比，合成定子電壓矢量，據此更新定時器T1的比較寄存器。

圖6 定時中斷程序流程圖

3 實驗分析

在5.5 kW的實驗平臺對提出的振蕩抑制方法進行了驗證。實驗異步電機參數為：額定功率5.5 kW、額定電壓330 V,額定電流13.5 A，極數4極，額定頻率50 Hz。

沒有采用振蕩抑制措施時，實驗電機空載運行，振動頻段大致在18～38Hz。記錄實驗波形如圖7～圖9。圖7為電機加速過程隨頻率上升進入振蕩區，振蕩逐步加劇；圖8為30 Hz運行，振蕩嚴重；圖9為電機加速過程隨頻率上升進入穩定區，振蕩消失。加入振蕩抑制措施后，系統的振蕩現象得到消除，如圖10和圖11，在整個調速區間無振蕩現象，電機運行平穩。

圖7 無振蕩抑制措施15～20 Hz加速過程截圖

圖8 無振蕩抑制措施30 Hz運行截圖

圖9 無振蕩抑制措施30～40 Hz加速過程截圖

圖10 有振蕩抑制措施10～50 Hz加速過程截圖

圖11 有振蕩抑制措施30 Hz運行截圖

圖7為未采用無振蕩抑制措施時，實驗電機在15～20 Hz加速過程，圖8為無振蕩抑制措施30 Hz運行，圖9為無振蕩抑制措施30～40 Hz加速過程，圖10為采用振蕩抑制措施10～50 Hz加速過程，從圖中可看出加入抑制振蕩方法后系統振蕩能得到很好的抑制。圖11為采用振蕩抑制措施30 Hz運行曲線。

4 結 語

本文針對傳統的異步電機采用V/f控制系統調速時出現輕載不穩定的問題，采用電壓補償控制方法，即在定子電壓定向的同步旋轉坐標系中，將定子電流分解為有功分量和無功分量，根據無功電流的振蕩成分來調整定子電壓幅值，有效地抑制了異步電機V/f調速輕載振蕩現象，調速系統穩定性良好。

實驗驗證了本文方法的有效性，空載時，電機在整個頻率段都能平穩運行。目前，本文方法已應用于通用變頻器產品中，取得了良好的經濟效益。

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ResearchontheMethodofV/fSpeedControlofInductionMotorwithLightLoadOscillation

WANG Tian-lei,ZHANG Jing-ling,HE Yue-bang,WANG Zhu,YAN Jian-yi

(WuyiUniversity,Jiangmen529020,China)

Accordingtothecurrentoscillationphenomenonintheno-loadandlightloadcondition,theV/fcontroloftheinductionmotorwasanalyzed,andthereasonofthestatorfluxandtheelectromagnetictorqueoscillationcausedbythestatorreactivecurrentcomponentoscillationwereanalyzed.Inthestatorvoltagevectororientedcoordinatesystem,thestatorreactivecurrentcomponentwassuppressed,andthecurrentandspeedcanbestabilized.Themethodisimplementedonlybysoftwareontheuniversalfrequencyconversiontimingdevice,anddoesnotrequireadditionalhardwarecost.Theexperimentalresultsverifytheeffectivenessofthemethod.Ithasbeenappliedinthegeneralinverterproducts,andhasachievedgoodeconomicbenefits.

inductionmotor; V/fcontrol;oscillationsuppression

2016-06-24

廣東高校優秀青年創新人才培養計劃(育苗工程)(2014KQNCX157)；五邑大學2015年度青年科研基金項目(2015zk12)

TM

A

1004-7018(2017)01-0073-04

王天雷(1981-)，男，碩士，講師，主要研究方向為通信與信號處理、電機驅動、無損檢測。