基于定子电压矢量定向的转矩提升方法研究

0 引 言
采用 V / F (恒压频比 ) 控制的通用变频调速系 统应用时无需依赖电机参数 , 具有简单 、可靠以 及低成本等优点 , 在交流调速领域得到广泛的应 用 。但是 , 由于定子电阻压降的影响 , 传统的 V / F 控制系统低速时输出转矩下降 , 造成带载起动困 难 , 低频带载能力差 ( 3 Hz以下无法满载运行 ) 等 问题 , 必须加以改进
1 0 -
( 5)
ia ib ic
其中
=
2 3
1 2
3 2
( 6)
θ 为定子电压矢量旋转角度 , 可由当前运行频 率值直接计算得到 , 即 θ=2 π f1 d t
0
∫

( 7)
图 1 感应电机稳态等效电路和向量关系图
旋转坐标系的初始角度可为任意 , 不妨取 d 轴 和电压矢量角度一致 , 则电压矢量和电流矢量在空 间旋转坐标系中的关系如图 2 所示 , 经过同步旋转 坐标变换 , 可得到直轴分量 id 和交轴分量 iq 。其中
2
而 iq 与电压矢量垂直 , 即为电流的无功分量。因此 , 通过坐标变换 , 实现了有功电流与无功电流的解耦。
- ( Is R s ) ( sin < )
2
2
(4)
由式 ( 4 ) 可知 , 在高频段 , 感应电势 Em 比较 大 , 定子阻抗压降 Is R s 相对很小 , 可以忽略不计 ,
V s 和 Em 近似相等 , 可以用 V s / f1 来近似代替 Em / f1 ; 而在低频段 , 感应电势 Em 比较小 , 定子阻抗
[ 12 5]
矢量补偿是按照电机输入电压和电流之间的 三角关系来计算定子电压给定值的 , 从幅值和相 角两方面来修正定子电压
[ 22 5]
。该方法虽然准确 ,
但是定子电压矢量和电流矢量之间的夹角不易获 取 , 且计算复杂 , 实现困难 。 标量补偿只修正定子电压矢量的幅值
[ 62 7]
, 即
直接在定子反电动势的给定值的基础上添加一个 补偿量 。该方法比较容易实现 , 但工程实践表明 : 该方法容易导致气隙磁通饱和 , 造成过补偿 。 为解决上述问题 , 本文提出了一种基于定子 电压矢量定向的转矩提升方法 。通过定子电压矢 量定向 , 实现有功电流和无功电流的解耦 , 能够 方便地得到定子电阻压降补偿量 ; 同时通过对无 功电流的控制 , 使其保持恒定 , 可以进一步确保 低速时电机磁链的恒定 。最后 , 通过实验结果对 该方法的有效性进行了验证 。
压降 Is R s 相对较大 , 不能忽略 , 尤其在重载时 , V s 明显大于 Em , 当用 V s / f1 代替 Em / f1 时 , 会使磁通 <m 减小 , 从而造成电机输出转矩减小 , 带负载能 力变差 。 为了保证低频时依然能够获得额定磁通和相 应的输出转矩 , 在低频段应适当提高 V s , 以补偿 由定子电阻压降造成的影响 , 维持 <m 在额定值 。 但是 , 由于磁饱和现象的存在 , 如何精确补偿是 一个难点 。
<m = kEm / f1
2 转矩提升方案
211 定子电压矢量定向原理
式中 , f1 为感应电机当前运行频率 ; Em 为定子全 磁通在定子每相绕组中的感应电动势 ; 对于确定 的电机而言 , k 为常数 。 由式 ( 1 ) 可知 , 只要控制好 Em 和 f1 的量 , 就 可以达到控制磁通 <m 的目的 。但是在感应电机中 反电势 Em 的值无法直接获取 , 只能通过相电压 V s 来检测和控制 。而由图 1 所示向量关系图可知 2 2 2 (2) Em = V s + ( Is R s ) V s ( Is R s ) cos<
id 与定子电压矢量同相位 , 即为电流的有功分量 ;
设 V so为 Em 在额定频率 f0 时的值 , 则任意频 率 f1 时 , 为保持气隙磁通恒定 , 所需要的反电势 值为 :
Em = V so ( f1 / f0 )
(3)
将式 ( 3 )带入到式 ( 2 )中可得 :
V s = Is R s cos< + V so f1 f0
[8]
此外 , 当系统频率低于 10 Hz时 , 由于死区效 应等因素的影响 , 会出现无功不平衡引起的电流 振荡 , 这种振荡会在一定程度上影响定子电阻压 降补偿的效果 , 如何克服这种影响是另一个难点 。 本文提出的补偿方法能够有效地解决了这些 问题 , 极大地改善了控制系统的低速性能 。
。
(1)
当 f1 < 10 Hz时 , 由于无功的不平衡 , 会导致 电流的波动和系统振荡 , 致使补偿不准确 , 电机 输出转矩脉动 。为了抑制无功功率不平衡引起的 电流波动 , 必须保持无功电流 iqf大小恒定 。因此 , 在本方案 中 , 设 置了 一个 无功 电流 闭环调 节器 , 将定子电流中的无功分量与参考值 iq ref进行比较 ( iq ref由空载定子电流得到 , 约为 013 倍额定电流 ) , 并经过 P I调节后给出定子电压调节量 V sq , 该调节 量也将用于定子电压补偿 。 有功电流 idf是电流的转矩成分 , 无功电流 iqf 是电流的励磁成分 。因此 , 通过无功电流闭环控 制 , 能进一步确保定子磁链恒定 , 防止磁场饱和 。 从而可以得到定子电阻压降补偿量为
V b = V s + V sq - V s
3
(9)
为了防止高频噪声干扰 , 还必须对补偿量 V b 进行一阶低通滤波 , 才能得到最终的定子电阻压 降补偿值 V bf 。定子电阻压降补偿控制控制系统框 图如图 3 所示 。
图 3 定子电阻压降补偿控制系统框图
利用提升后的电压值 V sf和相位 θ进行空间矢 量脉宽调制 , 即能对定子电阻压降进行补偿 。
图 2 电流矢量坐标变换原理图
212 定子电阻压降补偿
对直轴分量和交轴分量进 行一 阶低 通滤 波 , 可得到有功分量 id f和无功分量 iqf , 即式 ( 4 ) 中的
Is cos< 和 Is sin < , 将 id f和 iqf带入式 ( 4 )中可得 V s = Id f R s + V so f1 f0
收稿日期 : ・2 6 ・
[3]
。
2009 204 2 10
基于定子电压矢量定向的转矩提升方法研究 于 泳, 等
1 定子电阻压降分析
由文献 [ 4 ]的分析可知 , 定子电阻压降补偿是 在保持定子磁链大小恒定 (等于其额定值 ) 的基础 上进行的 。由图 1 所示的感应电机稳态等效电路和 电机学的基本原理可知 , 三相异步电动机定子每 极磁通可由下式表达
。
已有众多学者对定子电阻压降进行了深入研 究 , 并提出了多种补偿方案 。比较传统的补偿方 法是手动补偿法 , 即人为地设定一个补偿量 , 该 方法偶然性比较大 , 容易导致过补偿和欠补偿
[2]
。
现在采用的方法大多是自动补偿方法 , 按照其补 偿方式的不同 , 大致可分为两类 : 矢量补偿方法 和标量补偿方法
本方案采用电流反馈控制模式 , 对采样得到 的定子电流进行基于定子电压矢量定向的旋转坐 标变换 , 可以得到同步旋转坐标系下 ( d - q 轴 ) 定 子电流的有功和无功分量 , 其坐标变换方程为
id iq i α i β
=
θ cos
1 2 3 2
θ sin
i α i β
θ cos θ - sin
图 6 为电机带额定负载运行在 1 Hz时的定子 相电流波形 , 电机运行稳定 , 波形平稳 。而补偿 前 , 电机在 3 Hz以下无法带满载运行 。可见 , 采 用本文定子电阻压降补偿方案后 , 系统的低频带 载性能得到较大提升 。
3 实验结果分析
图 4为具有转矩提升功能的感应电机 V / F 控制 系统框图 , 通过 715 kW 三相感应电机 V / F 控制系 统平台进行了验证 , 采用 T MS320F2812 DSP 芯片来 实现。三相感应电动机的额定参数为 Pn = 715 kW ,
微电机
2010 年第 43 卷第 1 期
基于定子电压矢量定向的转矩提升方法研究
于 泳 , 熊文凯 , 陈 伟 , 徐殿国
(哈尔滨工业大学 电气工程系 , 哈尔滨 150001 )
摘 要 : 感应电动机定子电阻压降导致 V / F控制系统低速时的输出转矩下降 , 严重影响了 V / F控制 系统的低速性能。在分析现有转矩提升方案的基础上 , 提出了一种新颖的转矩提升方法。通过基于定 子电压矢量定向的旋转坐标变换 , 可以实现定子电流的解耦 , 从而方便地得到定子电阻压降补偿量。 该方法只需知道定子电阻值 , 实现简单。实验结果表明 : 采用补偿方案后 , 电机起动性能良好 , 电机 能在 1 Hz满载平稳运行。实验结果验证了该转矩提升方案的有效性。 关键词 : 恒压频比控制 ; 转矩提升 ; 定子电压矢量定向 ; 定子电流解耦
2 2 - ( Iqf R s )
( 8)
根据压频比 V / f 和当前运行频率 f1 产生参考输 ・2 7 ・
微电机
3 出电压 V s , 将式 ( 11 ) 所得到 V s 值与参考电压值 3 Vs
2010 年第 43 卷第 1 期
相比较即可得到补偿电压量 (V s -
3 Vs
)。
段时间后 , 变频器出现过载保护 , 封锁 PWM 驱动 信号 。图 5 ( b )为补偿后的起动电流波形 , 起动过 程中没有产生大的电流冲击 , 电流幅值稳定 , 起 动性能良好 。
中图分类号 : T M30112 文献标志码 : A 文章编号 : 1001 26848 (2010) 01 20026 203
Research on Torque Boost M ethod Ba sed on Sta tor Voltage Vector O r ien ted Con trol YU Yong, X IONG W en 2kai, CHEN W ei, XU D ian 2guo (Depantm ent of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China ) Abstract: The low 2speed performance of V / F controlled induction motor drive system is significantly im 2 paired by the decline of the output torque induced by the stator voltage drop. B ased on analysis of the ex2 isting m ethods, a novel autom atic torque compensation strategy was p roposed. The stator current can be decoup led by the rotation coordinate transformation based on stator voltage vector oriented control, and then the stator voltage drop compensation component can be achieved easily . This method was easily im 2 p lem ented Since only stator resistance is needed. The experim ental results using the p roposed method show that the rotor speed can be controlled down to 1 Hz w ith full load, and the starting perfor mance is i m p roved greatly . The experi m ents verified the torque boost method work well . Key W ords: V / F control; Torque compensation; Stator voltage vector oriented; Stator current decoup le