電機(jī)脈動(dòng)電流抑制方法的研究

冉正云

（廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東 佛山528000）

1 概述

三相二極管整流的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，母線電壓存在紋波，紋波電壓與變頻輸出的主頻電壓疊加，導(dǎo)致電機(jī)電流存在脈動(dòng)，在重載運(yùn)行時(shí)存在過(guò)流風(fēng)險(xiǎn)。理論上，電流脈動(dòng)可以在PWM 調(diào)制時(shí)對(duì)母線電壓進(jìn)行濾波處理來(lái)抑制，實(shí)際中由于母線電壓采樣存在延時(shí)滯后，以及中斷程序運(yùn)行時(shí)間不確定，脈動(dòng)電流很難從根本消除。文獻(xiàn)[1]分析了死區(qū)時(shí)間對(duì)三相SPWM 逆變器直流母線紋波電流的影響，但沒(méi)有進(jìn)行脈動(dòng)電流抑制。文獻(xiàn)[2]找出永磁同步電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩中幅值較大的基波和主要諧波分量，通過(guò)注入補(bǔ)償電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩抵消定位轉(zhuǎn)矩中的基波與二次諧波分量，從而達(dá)到抑制永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這種方法需要離線找到脈動(dòng)電流成分，然后在線注入補(bǔ)償電流，工作量大，且自適應(yīng)較差。文獻(xiàn)[3]僅考慮了電流測(cè)量誤差引起的脈動(dòng)。文獻(xiàn)[4]解決了壓縮機(jī)處于變工況運(yùn)行時(shí)的電流脈動(dòng)問(wèn)題，沒(méi)有解決穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電流脈動(dòng)。文獻(xiàn)[5]基于混合控制集預(yù)測(cè)控制的電流脈動(dòng)抑制，算法復(fù)雜，電流脈動(dòng)抑制效果一般。

圖1 電機(jī)電流不平衡補(bǔ)償框圖

本文根據(jù)采樣到的三相電機(jī)電流，在d、q 坐標(biāo)系中濾掉脈動(dòng)成分，剩下主頻信號(hào)的d、q 分量，計(jì)算出主頻信號(hào)的三相平均電流，進(jìn)而提取出三相脈動(dòng)電流。在d、q 坐標(biāo)系中，計(jì)算出脈動(dòng)電流幅值和旋轉(zhuǎn)角，按抑制步長(zhǎng)進(jìn)行平滑抑制。

2 原理與設(shè)計(jì)

圖1 為電機(jī)電流不平衡補(bǔ)償示意圖，由無(wú)速度傳感器矢量控制算法模塊、電流脈動(dòng)抑制算法模塊構(gòu)成。電流不平衡補(bǔ)償算法包括提取三相脈動(dòng)電流，d、q 坐標(biāo)系中計(jì)算脈動(dòng)電流幅值和相角、三相脈動(dòng)電流抑制電壓組成。

電機(jī)三相電流IA，IB，IC 經(jīng)CLARKE

變換為：

ISα、ISβ電流經(jīng)PARK 變換為：

d、q 軸電流Id、Iq經(jīng)低通濾波后得到：

三相平均值電流分別為：

提取的三相脈動(dòng)電流分別為：

三相脈動(dòng)電流經(jīng)CLARKE 變換為：

脈動(dòng)電流幅值為：

式中，η 為脈動(dòng)電流補(bǔ)償步長(zhǎng)。

PARK 逆變換旋轉(zhuǎn)角gama 為：

脈動(dòng)電流變換到αβ 坐標(biāo)系：

脈動(dòng)電流變換到A，B，C：

三相抑制電壓分別為：

式中的μ 為抑制系數(shù)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

搭建永磁同步無(wú)速度傳感器矢量MATLAB 仿真模型，電機(jī)參數(shù)為：1 對(duì)極，額定功率160kW，額定頻率283Hz，額定電流330A，最大電流360A，L=Ld=Lq=0.15mH，反電勢(shì)系數(shù)為23.4V/krpm。在CLARKE 逆變換生成的UA、UB、UC 分別加上50ωLcos（θ），50ωLcos（θ-2π/3），50ωLcos（θ+2π/3），ω和θ 分別為25Hz 低頻正弦信號(hào)的角速度和旋轉(zhuǎn)角，以此產(chǎn)生25Hz 的三相低頻脈動(dòng)電流。圖2 為運(yùn)行在滿載時(shí)的電流波形，脈動(dòng)頻率為25Hz，基波電流中疊加了低頻脈動(dòng)波，在額定負(fù)載或過(guò)載的情況下，脈動(dòng)電流極易觸發(fā)過(guò)流點(diǎn)，導(dǎo)致變頻驅(qū)動(dòng)器停機(jī)。脈動(dòng)抑制算法中，λ 和μ 分別取為0.01 和1。圖3 為脈動(dòng)抑制后的電流波形。

圖2 脈動(dòng)抑制前的電流波形

圖3 脈動(dòng)抑制后的電流波形

實(shí)驗(yàn)所用永磁同步電機(jī)額定參數(shù)和控制參數(shù)λ、μ與仿真模型相同。

運(yùn)行在頻率295Hz、電流有效值為330A 的工況。圖4 為脈動(dòng)抑制前的電流波形，脈動(dòng)頻率為4.9Hz，脈動(dòng)幅值較大，負(fù)載電流越大，脈動(dòng)幅值也越大。圖5 為脈動(dòng)抑制后的實(shí)驗(yàn)波形，經(jīng)脈動(dòng)抑制后，脈動(dòng)幅值趨近于0，取得了較好的抑制效果。

圖4 脈動(dòng)電流抑制前的實(shí)驗(yàn)波形

圖5 脈動(dòng)電流抑制后的實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電機(jī)電流脈動(dòng)問(wèn)題，精確地提取了三相電流脈動(dòng)成分，并進(jìn)行有效抑制，不會(huì)在重載時(shí)由于電流脈動(dòng)出現(xiàn)過(guò)流情況，提高了系統(tǒng)的可靠性，在沒(méi)有增加硬件成本的同時(shí)延長(zhǎng)了IGBT 使用壽命，降低了永磁同步電機(jī)退磁風(fēng)險(xiǎn)，適合變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合。