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高性能V/f控制在中压变频器中的实现

作者:时间:2009-07-31来源:网络收藏

引言
调速系统是中压装置的核心。转速开环的恒压频比(V/f是最简单的方式,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,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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/163686.htm


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,转矩控制功能。这充分体现出V/f控制的基本思想。但要转子磁链恒定控制比较困难,因此恒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。


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