1、第35卷 第10期2007年 10月 華 中 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(自然科學(xué)版J. H uazhong U niv. o f Sci. &T ech. (N ature Science Editio n V ol. 35N o. 10 O ct. 2007收稿日期:2006 07 20.作者簡介:羅 慧(1976 , 女, 講師; 武漢, 華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系(430074. E mail :key luo263. net基于電流解耦的異步電機V/F 控制補償方法羅 慧 王慶義 尹 泉 萬淑蕓(華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系, 湖北武漢430074摘要:針對異步電機恒壓頻比(V

2、/F 控制低速性能不理想的問題, 提出了一種新穎的定子電阻壓降的補償方法. 該方法在對定子電流進(jìn)行解耦的基礎(chǔ)上, 根據(jù)異步電機低頻運行時簡化的等值電路和矢量圖, 采用一種基于力矩電流的標(biāo)量補償方法對定子電阻壓降進(jìn)行補償, 并結(jié)合轉(zhuǎn)差頻率補償, 以實現(xiàn)電機低頻時的自動轉(zhuǎn)矩提升. 該方法有效改善了異步電機V/F 控制時的低速性能, 保證低頻運行時依然能獲得額定磁通和相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩. 基于Saber 軟件的仿真結(jié)果表明:采用補償方法后, 電機能夠帶額定負(fù)載穩(wěn)定運行在2H z 工況下, 電機的帶負(fù)載能力有明顯的提高, 補償后的機械特性略有上揚.關(guān) 鍵 詞:異步電機; 恒壓頻比控制; 轉(zhuǎn)差頻率補償; 定子電

3、阻壓降補償; 定子電流解耦中圖分類號:T M 301. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671 4512(2007 10 0060 04A study on compensation of the V/F controlled induction motordrives based on decoupled stator currentL uo H ui Wang Qiny i Yin Quan Wan S huy un(Department of Co ntr ol Science and Engineering , H uazhong U niversity o fScience and

4、T echno lo gy , Wuhan 430074, ChinaAbstract :A novel compensation metho d for the current resistant stator voltage drop is presented in the paper to improve the perform ance o f the V/F controlled induction motor drives. Accor ding to the simplified per phase equivalent cir cuit and vector diag ram

5、of inductio n mo to r in low frequency , the slip frequency and current resistant stator voltage dr op are estimated and compensated based on flux and to rque co mpo nent of the stator current in the rotor flux oriented reference frame to bo ost the torque and keep the stato r flux constant. T he co

6、mpensation m ethod can im pro ve the per for mance of the V/F controlled inductio n m otor drives in low frequency reg ion. The sim ulation result show s that, by using the proposed method, the speed can be contro lled dow n to 2H z w ith full load torques.Key words :induction mo to r; V/F (voltage/

7、frequency control; slip com pensatio n; stato r resistancecompensation; stator curr ent decouple與矢量控制13相比, 恒壓頻比(V/F 控制具有簡單、可靠、低成本等優(yōu)點, 在交流調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用. 但是傳統(tǒng)的V/F 控制在低頻運行時, 由于受到定子電阻壓降、轉(zhuǎn)差頻率和死區(qū)等因素的影響, 會導(dǎo)致氣隙磁通幅值變小、電機帶負(fù)載能力差、穩(wěn)態(tài)精度低等問題. 本文提出了一種新穎的基于定子電流解耦的補償方法, 可有效地改善異步電機V/F 控制時的低速性能. 基于Saber平臺的半物理仿真結(jié)果證明, 采用該補

8、償策略可以獲得良好的低速帶負(fù)載能力.1 整體控制方案本文提出的整體方案如圖1所示. 系統(tǒng)在傳統(tǒng)V/F 控制的基礎(chǔ)上加入了3種補償:轉(zhuǎn)差頻率補償、定子電阻壓降補償和死區(qū)補償4. 圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖圖1中, *r 是給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速; sl 是估算的轉(zhuǎn)差頻率; e 是同步角頻率; T e 是估算轉(zhuǎn)矩; i s d 和i s q 分別是勵磁電流和力矩電流; E *s 是定子反電動勢的給定值; U b 是補償電壓; e 是同步角; U s 和I s 分別是定子電壓矢量和定子電流矢量; U *s 和U *s ! 分別是給定電壓的靜止坐標(biāo)系軸分量.2 轉(zhuǎn)差頻率補償異步電機運行時, 為了產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動

9、負(fù)載, 必須產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率 sl . 額定工況時, 轉(zhuǎn)差頻率約為額定頻率的1%到5%.V/F 控制時, 電機若運行在中高頻率段, 與同步頻率 e 相比, 則轉(zhuǎn)差頻率 sl 很小, 可以忽略不計; 電機若運行在低頻率段, 轉(zhuǎn)差頻率 sl 與同步頻率 e 相比, 則轉(zhuǎn)差頻率 sl 不能被忽略, 必須進(jìn)行補償, 否則電機帶載啟動時會堵轉(zhuǎn).本文在分析電機動態(tài)模型的基礎(chǔ)上, 提出了一種基于估算轉(zhuǎn)矩T e 和勵磁電流i s d 的轉(zhuǎn)差頻率補償策略.在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)d q 坐標(biāo)系內(nèi), 轉(zhuǎn)差頻率 sl 和電磁轉(zhuǎn)矩T e 之間的關(guān)系可表示為T e =(n p /R r L 2m i 2s d sl , 式

10、中:n p 為極對數(shù); R r 為轉(zhuǎn)子電阻; L m 為互感. 由此, 轉(zhuǎn)差頻率估算值 sl 可以表示為 sl =T e R r /(n p L 2m i 2s d .為估算轉(zhuǎn)差頻率 sl , 還需要估算電磁轉(zhuǎn)矩T e 和勵磁電流i s d . 電磁轉(zhuǎn)矩估算值T e =(3n p /2 (s i s ! -s ! i s , 式中i s , i s ! 和s , s ! 分別為定子電流和定子磁鏈在靜止 ! 坐標(biāo)系中的投影量,s =(us-R s i s d t, s != (us !-R s i s ! d t,其中:R s 為定子電阻; u s , u s ! 為定子端電壓在靜止 ! 坐標(biāo)系

11、中的投影量. 為了克服純積分的直流漂移問題, 采用文獻(xiàn)5提出的基于坐標(biāo)變換的雙限.要將定子電流解耦為勵磁電流i s d 和力矩電流i s q , 必須將同步旋轉(zhuǎn)d q 坐標(biāo)的d 軸定向在轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縭 上. 為了估算轉(zhuǎn)子磁鏈角 r的正、余弦值, 先要估算轉(zhuǎn)子磁鏈r =(L r /L m s -#L s i s ;r ! =(L r /L m s ! -#L s i s ! ,式中:L s 和L r 分別為定子電感和轉(zhuǎn)子電感; 漏感系數(shù)#=1-L 2m /(L s L r . 然后就可估算轉(zhuǎn)子磁鏈角 r的正、余弦值:co s r =r /(2r +2r ! 1/2; sin r=r ! /(2r

12、 +2r ! 1/2. 定子電流i s , i s ! 經(jīng)過Park 變換, 就可求出勵磁電流i s d 和力矩電流i s q , 即i s d =i s co s r +i s ! sin r; i s q =-i s sin r +i s ! cos r. 求出T e 和i s d 后, 就可以估算出 sl . 由于V/F 控制屬于開環(huán)控制, 對快速性要求不高, 因此對所有的直流量, 如T e , i s d , i s q 和 sl 都引入了低通濾波器, 以消除高頻抖動.3 定子電阻壓降補償V/F 控制時若電機運行在低頻段, 定子端電壓主要消耗在定子電阻上, 則會導(dǎo)致氣隙磁鏈幅值變小.

13、補償定子電阻壓降是為了保證低頻時依然能獲得額定磁通和相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩. 值得一提的是, 低頻時因為定、轉(zhuǎn)子漏感很小, 可忽略不計, 所以氣隙磁鏈、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值可認(rèn)為近似相等. 因氣隙磁鏈不易觀測, 故一般只觀測定子磁鏈.通常有兩種補償定子電阻壓降的方法:矢量補償和標(biāo)量補償. 矢量補償是按照物理量之間的三角關(guān)系來計算定子電壓給定值的6, 從幅值和相角兩方面來修正定子電壓. 矢量補償雖然準(zhǔn)確, 但是定子電流矢量和定子電壓矢量之間的夾角不易獲得, 且計算復(fù)雜, 難以實現(xiàn). 標(biāo)量補償只修正定子電壓矢量的幅值, 即U s =E *s +U b , 式中:E *s是定子反電動勢的給定值, 由頻率給定

14、值和壓頻比相乘產(chǎn)生; U b 是電壓幅值的補償量, 通常令U b =I s R s . 但工程實踐表明這種補償方法容易導(dǎo)致磁通飽和, 電流增大, 而電機的帶負(fù)載能力沒有明顯提高, 尤其當(dāng)負(fù)載突降時, 定子磁通飽和現(xiàn)象更明顯, 所以這種標(biāo)量補償策略容易導(dǎo)致過補償. 本文提出了另外一種新穎的標(biāo)量補償策略, 即U s =E *s +U b =E *s +R s i s q ,i s q .61 第10期 羅 慧等:基于電流解耦的異步電機V/F 控制補償方法鏈恒定時, 轉(zhuǎn)矩電流與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比, 即T e =n p (L m /L r r i s q , 因此這種基于轉(zhuǎn)矩電流的補償方法是一種前饋補償.

15、圖2(a 是異步電機的單相等值電路, 圖2(b 圖2 異步電機等值電路和矢量圖是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)對應(yīng)的矢量圖7, 8, d 軸位于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縭 上. 當(dāng)電機運行在極低的頻率時, 轉(zhuǎn)子漏感對應(yīng)的反電動勢E r l 很小, 可忽略不計, 所以圖2可以簡化為圖3. 圖3(a 為異步電機低頻運行時單相等值電路圖, 圖3(b 為簡化后的電路和矢量圖. 由圖3(b 可見, 氣隙反電動勢圖3 異步電機低頻運行時簡化后的等值電路和矢量圖E m 與轉(zhuǎn)矩電流i sq 同向, 所以采用本文所提出的定子電阻壓降補償策略, 可以直接補償氣隙反電 .4 仿真結(jié)果利用Saber 軟件對上述方案進(jìn)行了半物理系統(tǒng)仿真. 仿真

16、所用的電機參數(shù)為:額定功率2. 2kW, 4極, 50H z, 線電壓380V, 定子電阻2. 804, 轉(zhuǎn)子電阻2. 178, 定子自感330mH , 轉(zhuǎn)子自感330m H , 定轉(zhuǎn)子互感319. 7m H , 轉(zhuǎn)動慣量0. 03kg m 2.首先, 對傳統(tǒng)的V/F 控制策略進(jìn)行了仿真. 圖4是給定頻率為2H z 、電機帶額定負(fù)載15N m 啟動的仿真結(jié)果. 由圖4可知, 轉(zhuǎn)子角速度穩(wěn)定在0. 019rad/s, 接近于零, 分析原因如下:電機的額定磁通約為1Wb, 而低頻時磁通降低到約0. 5Wb, 如圖4所示, 僅為額定磁通的50%.因為, 電機的輸出轉(zhuǎn)矩為磁通矢量與電流矢量的叉乘, 所

17、以僅采用傳統(tǒng)的V/F 控制策略, 無法獲得理想的低速帶負(fù)載能力.圖4 傳統(tǒng)V/F 控制時, 電機帶額定負(fù)載運行(給定頻率2H z 仿真波形然后, 將本文提出的基于解耦電流的補償方法應(yīng)用到V/F 控制中, 得到仿真結(jié)果如圖5所示. 圖5中給定頻率為2H z 、電機帶額定負(fù)載15N m 啟動, 在1. 5s 時負(fù)載突減到7. 5N m. 對于兩對極異步電機而言, 給定頻率為2H z 時, 轉(zhuǎn)子輸出的機械角頻率應(yīng)該為6. 28rad/s. 由圖5可見, 負(fù)載變化前, 電機的磁通幅值保持在額定值1Wb 左右, 轉(zhuǎn)子機械角速度為9. 4rad/s(即2. 99H z . 在1. 5s 時, 電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩

18、突減為額定負(fù)載的一半, 電機的磁通和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都突然變大,但經(jīng)過一個周期的調(diào)節(jié), 磁通幅值很快又回復(fù)到額定值, 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在7. 8r ad/s(即2. 48H z.仿真結(jié)果表明:采用本文提出的補償方法后, 即使目標(biāo)頻率為2H z, 電機也能夠帶額定負(fù)載穩(wěn)定運行, 電機的帶負(fù)載能力有明顯的提高, 補償后62 華 中 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(自然科學(xué)版 第35卷 圖5 采用本文提出補償方法的V/F 控制時, 電機帶額定負(fù)載運行仿真波形的機械特性略有上揚. 總而言之, 該方法具有調(diào)速范圍廣, 輸出轉(zhuǎn)矩大、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點.參考文獻(xiàn)1Blaschke F. T he principle of fiel

19、d or ientatio n as a pplied to the new tr ansv ecto r clo sed loo p contro l sys tem fo r r otating field machinesJ. Siemens Review, 1972, 34(5 :217 220.2閔 松, 羅 慧, 萬淑蕓. 基于有監(jiān)督單神經(jīng)元的交流調(diào)速控制算法研究J.華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2002, 30(10 :72 74.3趙 金, 萬淑蕓, 何頂新. 基于模糊邏輯的感應(yīng)電動機直接矢量控制系統(tǒng)J.華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2004, 32(6 :49 51.4L eg g ate D, K erkman R