异步电机VF调速轻载不稳定解决方法Word下载.doc
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0引言
随着电力电子技术的不断发展，交流调速技术的应用越来越广泛。
异步电机变频调速控制方法可分为：
电压频比（V/F）控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式。
矢量控制的控制精度较高，能够与直流调速系统性能相媲美，因此，一直受到广泛的关注，也是异步电机控制技术研究的主要方向。
但是，矢量控制技术实现比较复杂，严重依赖电机参数，且通常需要速度传感器。
与矢量控制变频调速控制技术相比，通用变频调速技术精度相对较差，但具有不依赖电机参数，不需要速度传感器，控制方法简单、容易实现等优点。
因此，在工程实际中，通用变频调速系统得到了广泛应用，目前大部分的变频调速系统都采用这样一种模式，尤其在风机、水泵等调速性能要求不高的应用场合。
如果能对其部分性能进行改善，将使其得到更广泛的应用。
本文对异步电机V/F控制空载或轻载振荡现象进行研究，对定子无功电流分量进行振荡抑制，提高了V/F调速系统的稳定性，实验结果验证所述方法的有效性。
1V/F调速轻载振荡分析
交流电机在PWM方式供电的条件下，电机轻载或者空载的时候电机存在一个比较宽的频率段，系统会出现局部不稳定现象，这时电流幅值波动很大，输出频率也会有一定改变，电流的振荡有可能会导致系统因为过电流而误触发报警，使系统不能稳定可靠的工作。
引起振荡的原因很多，如定子电阻、转子惯量、死区时间、系统共振频率等，比较普遍的观点是电机和变频器在能量交换过程中引起的。
对死区效应进行补偿后可以有效的减少振荡的幅度，但不能从根本上抑制振荡。
一种有效的方法是当振荡发生时，相应改变实际输出的频率或者电压，通过电流形成一个简单的负反馈系统，达到抑制振荡的目的。
但是这种方法也有一定的局限性。
由于不同电机的振荡频率范围是不一样的，而采用电流的幅值控制，只是一个标量，这就使得控制的效果不佳。
如果将定子电流进行分解，直接控制影响能量交换的磁通励磁电流分量，抑制效果就会有较大的提高。
更为精确有效的方法是采用智能控制的方法，但是算法复杂，在通用的V/f控制平台上实现比较困难。
空载情况下，通过定子电压定向，分解出电机的有功电流和无功电流分量，在系统稳定时，电机的无功和有功电流分量都很稳定。
而当系统不稳定时，电机的无功电流出现明显的振荡成份。
2V/F调速轻载振荡的抑制
2.1系统稳定性方法
空载、轻载振荡主要与无功电流振荡造成的电机定子磁链及电磁转矩振荡有关，通过抑制无功电流振荡，可以避免电机振荡。
无功电流振荡抑制是采用对无功电流进行闭环调节以使无功电流稳定的方法。
采用电压补偿控制方法抑制异步电机V/F调速轻载振荡，使无功电流稳定，即使电机定子磁链稳定。
具体方法是无功电流减小时增大电机定子电压，使无功电流增加。
而无功电流增大时减小定子电压，使无功电流减小，使感应电机控制系统始终运行于稳定状态。
异步电机稳态等效电路如图1所示，图中为定子电压、为定子电流，为定子电阻、为定子漏感，为互感，为转子漏感（折算到定子侧）、为转子电阻（折算到定子侧），为转差率。
图1异步电机稳态等效电路
由图1可以看出异步电机稳态电路呈阻感特性，定子电流可以分解为有功分量和无功分量，无功分量滞后有功分量90°
。
定子电流矢量滞后电压矢量，、分别为有功电流、无功电流。
由以上分析可知，电机稳定运行时，恒定，而电机振荡时，振荡明显。
通过以下式
（1）可提取的振荡成分。
（1）
式中，，时间常数为的低通滤波器主要滤除中的高频噪声，时间常数为的低通滤波器除滤除高频噪声外还滤除振荡成分，两低通滤波后的结果相减得到的振荡成分。
根据对定子电压幅值进行调整
（2）
式中：
为V/F曲线输出电压，为振荡抑制系数。
根据以上分析可以得到带振荡抑制措施的V/F调速系统，如图2所示。
因V/F控制起动和制动电流的功能，给定频率需经过给定积分器产生平缓的加速或减速信号；
采用空间电压矢量脉冲宽度调制，根据定子电压矢量的幅值和相位生成6路PWM信号，控制逆变器中的开关管，完成逆变驱动
图2稳定化的V/F调速系统框图
感应电机V/F控制系统由硬件驱动部分和软件程序部分组成，采用数字电机专用芯片为主控芯片，设计感应电机通用变频调速系统硬件平台，并通过软件在该平台上实现对感应电机的V/F调速控制。
2.2硬件设计
感应电机V/F控制系统硬件主要包括主电路、DSP控制电路、驱动电路、检测电路、保护电路、开关电源电路和外部接口电路等。
采用DSP作为V/F调速系统主控芯片。
该芯片具有强大的运算能力和完备的外设模块，可简化驱动控制器的硬件电路设计，提高系统的实时处理能力，使各种先进的控制算法得以实现。
功率模块内含三相整流器和逆变器，用于整流和逆变处理。
芯片内部集成了三相整流电路和7个开关管，其中6个作为三相逆变器的开关管，另外一个作为动态制动开关。
此外芯片内部还有温度检测电阻，实现温度的实时监测和保护。
V/F调速系统硬件框图见图3。
图3V/F调速系统硬件框图
2.3软件设计
软件设计主要包括主程序和定时中断程序。
主程序完成系统各CPU时钟、中断向量表、I/O端口、A/D转换、片内寄存器等的初始化，定时器的设置以及对各变量、常量的定义和赋初值等。
初始化完成后打开中断进入主循环等待中断发生，定时器T1中断程序流程见图4。
大部分的算法程序都在这部分实现，如电流采样、PID调节、死区补偿、定子电阻压降补偿、振荡抑制、SVPWM的产生等。
本文设置定时器T1工作在连续增/减计数模式，定时周期为0.1ms，，可输出3组6路PWM信号，在定时器T1中断服务程序中执行V/F控制策略。
当定时器T1中断信号到来，启动A/D转换，采样定子电流、电压等变量，接着计算定子电压矢量幅值和相位，并由SVPWM生成6路占空比，据此更新定时器T1的比较寄存器。
图4定时中断程序流程图
3实验分析
在1.5kW的实验平台对提出的振荡抑制方法进行了验证。
实验异步电机参数为：
额定功率1.5kW、额定电压380V、额定电流3.7A、极数4极、额定频率50Hz。
图5为未采用振荡抑制措施时电机运行曲线，实验电机空载运行，电机运行时，振荡严重。
图6为加入振荡抑制措施后电机运行曲线，系统的振荡现象得到消除，在整个调速区间无振荡现象，电机运行平稳。
图5无振荡抑制措施运行图6有振荡抑制措施运行
4结语
本文采用解决方法消除了异步电机使用VF调速轻载不稳定现象，调速系统稳定性良好。
本文主要是针对传统的V/F控制系统轻载不稳定的问题，提出了一种新型的提高系统稳定性方法。
通过定子电压定向进行同步坐标变换，分解出电机的有功和无功电流。
通过PI调节器控制电机的无功电流使之保持恒定，来提高系统的稳定性，抑制电机轻载时的振荡。
最后通过实验验证了此方法的有效性，空载时，电机在整个频率段都能平稳运行，系统稳定性得到了提高。
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