高性能V/f控制在中压变频器中的实现

1 概述

对于中压变频器来讲，怎样控制调速系统是其核心问题。转速开环的恒压频比(V/f)控制是最简单的一种控制方式，特别适用于没有高动态性能要求的一般交流调速场合，例如风机、水泵等。普通V/f控制示意图如图1所示。

虽然目前通用变频器已经能够比较成熟地应用矢量控制和直接转矩控制，但都还保留V/f控制，同时还发展出高性能V/f控制。在高性能V/f 控制方式下，变频器具有转矩控制功能，无“跳闸”能力，机械特性硬度提高，并且具有挖土机特性[1]。本文把这种控制思想引入中压变频器，以期使中压变频器具有较高的性能。该方法是基于转子磁链恒定的控制方式，即恒Er / f1控制，它采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制控制器，用以实现转矩控制功能，充分体现了高性能V/f控制的基本思想。但是要实现转子磁链恒定控制是比较困难的，因此本文在实现恒Eg / f1控制时，同时辅以电流限制控制，实现挖土机特性，防止出现“跳闸”;用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的转速误差最小;通过IR降补偿保持气隙磁通的始终恒定。其原理框图如图2所示。

2 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椎m不变,以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力。根据电机学的原理，在基频以下调速时，为保持气隙磁通椎m不变，只要控制Egf1= 恒值即可，但是不能直接控制Eg，一般就用定子电压U1替代Eg形成V/f控制。在高频时，由于定子上所加电压高，忽略定子电阻压降影响不大;但是在低频时，由于定子电阻的影响达到不可忽略的地步，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到很小，限制了系统的带载能力，甚至不能带载。这时就要采用定子压降补偿(IR 补偿)，适当提高定子电压，增强带载能力。

定子电阻补偿是基于保持定子磁通幅度不变的一种补偿方式，这是由于定子漏电感L 只占定子全电感的2%~5%，所以在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，采用了一种矢量补偿IR降的方法。

异步电机稳态等效电路如图3 所示，相量图如图4所示。

从相量图可以看出，由于补偿定子电阻压降需要提高电压，而电压的提高会进一步增大定子电阻压降，这样就形成了一个正反馈，为保证系统的稳定性，可以将式(2)所计算出的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，将后者经过一个阶惯性环节(抑制这部分的变化速度)后再与基本的V/f 分量相加，从而得到真正起作用的输出电压U1。所有的计算均采用按额定值标么化后的标么值计算，这样会大大减少计算量。

3 转差补偿

异步电机要产生电磁转矩，必需要有一定的转差s，在电机转速较高的情况下，比如额定转速，s 在3%左右，那么它的影响可以忽略。在变频运行的时候，为了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 将越来越大;并且当同步频率低到一定程度时电机可能会带不动负载而停止转动，也就是转差s 在低速时严重影响到电机调速的精度。

通过电机学的原理可以知道，异步电机的机械特性在电磁转矩(TL)<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[2]，也就是说为了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，输出转矩T0，速度降落为驻f，为了保证电机转速f0，就要将同步频率提高到f0+驻f。

转差补偿的目的是要提高电机的机械特性的硬度，要准确地进行转差补偿，就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，也就是说，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)小较多时，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)，从而保持Eg / f1恒定的情况下，通常可以采用与恒Er / f1控制方式下相同的线性补偿方法。

采用这种线性补偿方法，电磁转矩距离最大转矩越近，误差越大。

4 电流限制控制

电流限制控制的目的是，使电机能发出某一最大转矩，并且不论负载有多么重(甚至发生堵转)，变频器也不会跳闸，也就是实现挖土机特性。由于采用载波水平移相PWM 调制，18 个单元串联的中压变频器的每个单元输出功率平均分配，设每个单元的输入功率为Pin，则总功率为

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限制在特定的水平下。为保证电流限制功能的实现，还要适当调节输出电压，为此设计了一种特殊的PI调节器，用于限制最大电流，实现挖土机特性。

最大电流限制调节的部分结构框图见图5，最大电流限制PI 调节器，以允许的最大电流(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)为反馈量，输出两个相同的调节量驻f(频率调节量，由变量KK0118给出)和驻u(电压调节量，由变量KK0119给出)，驻u 起辅助作用，用比例系数P121来调节。需要说明的是，虽然这里的电流反馈值是有效值，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要求;PI 调节器是针对限制最大电流的，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，本文设计的PI调节器与普通PI调节器有两点不同，即有两个输出调节量和输出限幅。

为了方便，设计的数字PI 调节器采用了增量式算法，以限制起动电流实验来验证最大电流限制调节器的调节效果。

实验中电压调节量的输出KK0119 的比例系数P121=1.0，各个参数意义罗列如下：

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6给出了限制起动电流的实验波形图，其中图6(a)和图6(b)的实验参数是：P100=50 ms，P113=0.05，P106=13%，P101=1000ms，控制反馈量KK0103，图6(a)给出的是KK0118(1 波)和KK0103(2 波)的波形，图6(b)给出的是KK0118(9波)和KK0102(10波)的波形;图6(c)的实验参数是：P100=50ms，P113=0.10，P106=13%，控制反馈量KK0102，图6(c)给出的是KK0118(7波)和KK0102(8波)的波形。

从图6(a)和(b)可以看出，以滤波之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，虽然调节器实现了对滤波后电流KK0103的较好控制[如图6(a)]，但是此时对实际的电流值KK0102 的控制并不好[如图6(b)]，电流动态峰值达到了7 A左右，而实际的允许最大电流值为1.3 A，达不到无“跳闸”的目的;为了实现限制动态电流的目的，图6(c)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 A 左右，对比图6(b)可以发现，图6(c)较好地实现了限流的目的。更为恰当地调节参数，可以使调节器的调节效果更好。

5 结语

综上所述，只要调节好定子电阻(IR降)补偿、转差补偿器和最大电流限制控制器的参数，会使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，因此本文设计的调节器可以起到限制最大电流的作用，以实现挖土机特性。