基于转子磁链恒定的控制方式实现高性能V/f控制及应用

1、引言

控制调速系统是中压变频器装置的核心。转速开环的恒压频比（V/f控制是最简单的控制方式，适用于无高动态性能要求的一般交流调速场合，例如风机、水泵等。

目前已成熟应用的通用变频器有矢量控制和直接转矩控制，但仍还保留V/f控制。在V/f控制下，变频器具有转矩控制，无“跳闸”，机械特性硬度提高，挖土机特性等。将V/f控制思想引入单位串联中压变频器，可使中压变频器性能较高。

2、控制原理

基于转子磁链恒定的控制方式（即恒E/f1控制）采用磁通补偿器、转差补偿器和电流限制控制器，实现转矩控制功能。这充分体现出高性能V/f控制的基本思想。但要实现转子磁链恒定控制比较困难，因此实现恒Eg/f1控制，同时辅以电流限制控制，实现挖土机特性，防止出现“跳闸”；转差补偿控制提高机械特性的硬度，实现在速度开环控制下转速误差最小：IR降补偿保持气隙磁通始终恒定，从而实现无“跳闸”的高性能V/f控制，其原理框图如图1所示。

3、定子电阻（IR降）补偿

恒压频比控制的出发点是保持气隙磁通φm不变，充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力。根据电机学原理，在基频以下调速时，为保持气隙磁通φm不变，只要控制Eg/f1为恒值即可，但Eg不能直接控制，一般用定子电压U1替代Eg形成V/f控制。频率高时，由于定子上所施电压高，可忽略定子电阻压降；但在低频时，由于定子电阻的影响不可忽略，恒压频比控制不能有效保持磁通不变，调速系统的输出最大转矩将降至很小，限制了系统带载能力，甚至不能带载。这时可采用定子压降补偿（IR补偿），适当提高定子电压，增强带载能力。

定子电阻补偿基于保持定子磁通幅度不变，由于定子漏电感L只占定子全电感的2％～5％，所以工程应用中可忽略定子漏电感，即L=0，这样近似认为定子磁通等于气隙磁通。在此基础上，采用矢量补偿IR降方法。图2为异步电机稳态等效电路。

根据图2异步电机稳态等效电路的相量图可得：

定义额定频率frated下Eg的幅值是Urated，这样当输出频率为f时要求Eg的幅值为Urated（f/frated），将该值代入式（1），得：

式中，定子电阻R1，I，cosφ和I1，sinφ是未知量，只要计算出这些量，就可按矢量方式计算U1。

从图2看出，由于补偿定子电阻压降需要提高电压，而提高电压将进一步增大定子电阻压降，这就形成一个正反馈，为保证系统的稳定性，可将式（2）所计算的U1分为两部分，一部分为基本的V/f分量，另一部分为补偿定子电阻压降分量。后者经一阶惯性环节（抑制这部分的变化速度）后再与基本的V/f分量相加，从而得到电压输出U1。所有计算均采用按额定值标么化后的标么值计算，这样大大减少计算量。

4、转差补偿

异步电机产生电磁转矩，必需一定的转差s，在电机转速较高的情况下，比如额定转速，s约3％，其影响可忽略。在变频器变频运行时，为产生同样的电磁转矩，s反比于同步频率，随着同步频率的下降，s越来越大；当同步频率低到一定程度时电机可能会停止转动，也就是转差s在低速时严重影响电机调速的精度。

由电机学原理可知，异步电机的机械特性在电磁转矩（TL）小于最大转矩（Tm）时，不同同步转速下的机械特性近似为一组平行线，也就是说为产生同样的电磁转矩，在不同同步频率下其速度降落基本相同，这就是转差补偿的出发点。当同步频率为f0时，为输出T0的转矩，速度降落为△f，为了保证电机转速f0，就要将同步频率提高到f0+△f。

转差补偿目的是要提高电机机械特性的硬度，准确进行转差补偿，这需要知道转差和电磁转矩之间的函数关系。在恒Er/f1控制方式下，电机机械特性是直线，因此转差与电磁转矩成线性关系，即在保持转子磁通幅值不变的条件下，电磁转矩与转差频率成正比。在恒U1/f1控制和恒Eg/f1控制下，电磁转矩与转差频率成非线性关系，但是在电磁转矩（TL）比最大转矩（Tm）小得多时，电磁转矩与转差频率成近似线性关系，只是恒Eg/f1控制的近似线性段更长，而且由于恒Eg/f1控制在各同步频率下的最大转矩（Tm）不变，因此，这种近似关系也不会随同步频率变化而变化。因此，在补偿定子电阻降落（IR降），保持Eg/f1恒定的情况下，通常采用与恒Er/f1控制方式下相同的线性补偿方法。

5、电流限制控制

电流限制控制目的是使电机能发出某一最大转矩，并且不论负载有多重（甚至发生堵转），变频器也不会跳闸，即实现挖土机特性。由于这里所指的中压变频器是串联的18个单元，采用载波水平移相PWM调制，该18个单元的中压变频器每个单元输出功率平均分配，设每个单元的输入功率为Pm，则总功率为：

式中，Ed为功率单元逆变器输入电压；Id为功率单元逆变器输入电流；ωr为电动机转子旋转角频率。

如果在直流侧大电容的作用下Ed恒定，那么电流Id将与Tf1成正比。随着负载的加重，转矩增加，总可以通过适当降低f1使Id限制在特定水平以下。为保证实现电流限制功能，还要适当调节输出电压，为此设计了一种特殊的PI调节器，用于控制限制最大电流，实现挖土机特性。

图3为最大电流限制调节的部分结构框图，最大电流限制PI调节器。以允许最大的电流（由参数P106设置）为给定值，以“定子电流3／2变换及分解”模块输出的电流有效值（标么值）为反馈，输出2个相同的调节量△f（由变量KK0118给出，频率调节量）和△u（由变量KK0119给出，电压调节量），△u起辅助作用，用比例系数P121来调节。需说明：这里虽然电流反馈值是有效值（标么值），但它是通过A、C两相电流瞬时值实时计算的（电流矢量幅值），因此，可以满足电流调节的动态需求；PI调节器针对限制最大电流，电流只能从大（超过最大允许值）向小调，而不能从小向大调，因此，调节器输出必须限幅（小于零）。根据变频器电流限制的需要，设计的PI调节器与普通PI调节器有两点不同：输出调节量和输出限幅。

为了方便，设计的数字PI调节器采用增量式算法。为验证最大电流限制调节器的效果，进行限制起动电流实验。该实验中电压调节量的输出KK0119的比例系数P121=1.0。P100为PI调节器的积分增益；P113为PI调节器的比例增益；P106为允许的最大电流有效值（标么值）；P107为选择最大电流模拟量连接子；KK0102为反馈的实际电流有效值（标么值，数字滤波之前）；KK0103为反馈的实际电流有效值（标么值，数字滤波之后）；P101为实际电流有效值滤波时间常数；KK0118为频率调节输出量。

图4为限制起动电流的实验波形，其中图4a、b的实验参数为：P100=50 ms，P113=0．05，P106=13％，P101=1 000 ms，控制反馈量KK0103。图4a为KK0108（1波）和KK0103（2波）的波形，图4b为KK0118（9波）和KK0102（10波）的波形；图4c的实验参数是：P100=50 ms，P113=0．10，P106=13％。控制反馈量KK0102，图4c为KK0118（7波）和KK0102（8波）的波形。

从图4a、b可看出，以滤波后的电流有效值作为反馈，由于反馈信号的延时，使得控制量输出滞后，虽然调节器较好控制滤波后的电流KK0103（图4a），但是此时对实际的电流值KK0102的控制并不好（图4b），电流动态峰值到达7 V，而实际的允许最大电流值为1．3 V，达不到无“跳闸”；为了限制动态电流，图4c增大了比例增益，并用无延时的KK0102为反馈，这时动态电流最大值被限制在2 V左右，较好地实现了限流目的。所以更为恰当地调节参数，可以改善调节器的调节效果。

6、 结语

综上所述。调节定子电阻（IR降）补偿、转差补偿器和最大电流限制控制器的参数，使得调节器的调节效果较好；同时由于用于电流限幅的给定值P106，是为了限制过载设置的，它的值要比“跳闸”的过流值小。因此所设计的调节器可起到限制最大电流的作用，从而实现挖土机特性。

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