通用变频器的矢量控制研究

文:王中为2017年第四期

0前言

    虽然直流电动机和交流电动机都已诞生了相当长的时间,但由于直流电动机调速系统较早形成了较为完善的理论和结构,其具有较为优良的静、动态特性,故在20世纪70年代以前,整个传动系统基本以直流电动机调速系统为主。但由于结构上的原因,直流电动机存在很多缺点,像要定期更换电刷和换向器,维护困难;容量、电压、电流和转速等受到制约等。相比之下,交流电动机就具有很多优势,像造价低:事故率低、容易维护;容量、电压、电流和转速不容易像直流电动机那样受影响。

    目前,交流调速系统装置已经从最初的只用于风机、水泵等地方过渡到各类高精度、快响应的高性能指标的场合。随着交流电动机调速理论的成熟和完善.交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服,现在交流调速系统正逐步取代直流调速系统。早期,变频器是根据异步电动机的等效电路采用恒压频比(v/f)或转差频率(SF)控制方式,但是这两种方式是建立在电动机的静态数学模型之上的。其动态性能不佳。经过不懈的努力。国外学者提出了矢量控制方式(VectorContro1)和直接转矩控制(DTC)方式,并将其应用到实际之中,取得了非常令人振奋的控制效果。前者参照直流电动机的控制方式,将异步电动机的定子电流空间向量解耦为转子励磁分量和转矩分量,其缺点是要根据坐标变换以推算转速信号,于是在此基础上逐渐又提出了无速度传感器矢量控制方式,它根据异步电动机实际运行的相电压和相电流以及定转子绕组参数推算出转速观测值,以实现磁场定向的矢量控制:而后者则不采用解耦的思想,借助瞬时空间矢量计算电机的磁链和转矩,并根据与给定值进行比较的差值,直接实现转矩和磁链控制。除此以外,采用正弦脉宽调制SPWM(SinusoidalPulse.WidthModulation)或空问向量脉宽调制SVPWM(SpaceVectorPulse.WidthModulaion)技术,在输出端用很简单的滤波器就可以得到很纯正的正弦波。

1控制方案

    异步电动机是一个高阶、非线性和强耦合的系统。其矢量控制方式是比较复杂的,要确定最佳的控制方式,必须对系统的动静态特性进行充分的分析,其最重要的环节就是建立合适的数学模型,而这主要是借助坐标变换来实现的。

    对于矢量控制和直接转矩控制这两种控制方法,可以从许多方面进行比较,比如控制理论、控制软硬件实现、主电路以及外围电路要求等。鉴于实现样机方式的多样性,两种控制方法的试验比较具有一定的困难性。本文将给出相应的特性曲线,以及简单的试验结果描述。选定A公司的矢量控制通用变频器(15kW,称为“VC变频器”)和B公司的直接转矩控制通用变频器(15kW,称为“DTC变频器”)作为本次试验样机异步电动机的矢量控制是以电动机内部的参数为前提的。但随着电机运行中负载以及温度等的变化,转子的电阻也要发生变化,这样将会影响转子的转矩,故电机参数必须进行在线修正,可采用模型参考自适应法,主要是将不含转子电阻的电压模型作为参考模型,面将含有转子电阻的电流模型作为可调模型,两个模型具有相同的物理意义的输出量,利用两个模型输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节可调模型的参数,以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。在试验原始数据测取的过程中,充分考虑了试验环境和条件的相同性(比如,环境温度、电机起始温度、录波仪采样率等)。

    由于某些指标的特殊性和试验条件限制,这些指标不是一次测取量,是经过其它一次测取的原始数据计算得到。在计算这些指标时,对于两种控制方法,采用完全相同的计算公式和流程,而且该计算程序完全对外公开。对计算程序中的某些数据处理方法可能会有不同意见,可对计算程序的准确性进行充分的讨论。

2硬件连接

    正弦脉宽调制技术SPWM已被广泛应用于逆变器中,可以得到相当接近正弦波的输出电压,其缺点是直流电压利用率低,输出最大相电压只有输入直流电压的一半,并且其功率器件的开关损耗较大。随着国外学者在交流电机调速中提出了磁通轨迹控制的思想,提出电压空间向量(SpaceVector)的概念,空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术也得到了快速的发展,其直流电压利用率比SPWM高。

    本文以一个25kW的异步电机进行试验,如图1所示系统结构示意图,该平台是专门针对变频器――异步电机系统而设计的。

图1试验测试系统结构示意图

    本试验系统的主要设备有:VC和DTC变频器样机各一台(15kW)、3kW三相绕线式异步电机一台、3kW直流发电机一台、功率电阻箱一个、可变直流电压源二套、录波仪一台和配套电压电流探头若干。三相工频380V电源通过调压器为变频器供电,变频器输出接3kW绕线式异步电机,此电机与一等容量的直流发电机同轴连接。在试验测试阶段,通过计算机上的适配软件对变频器状态进行实时控制与监视,而试验所需要的几组重要的数据(Uab、Ucb、Ia、Ic以及变频器几个模拟口输出量)则通过DL750录波仪从电机机端和变频器输出端子直接测取和记录。这些原始数据通过FTP协议从录波仪下载计算机,并转化为文本数据文件。最终使用这些文本数据文件在Matlab下计算出相应的结果。

    在实现机组低速运行时,大负载转矩是通过在直流发电机机端顺接直流电源来实现的。工频220V电源通过调压器接不控整流桥,整流桥输出并联电容产生可调直流电源,该电源通过断路器的切合来加减机组的负载。直流电源与电流电机机端之间串有电阻负载。

3实验原理分析

    本试验中,主要通过异步电机的机端测量来获取电机性能的参数,以此来得到两台变频器样机的控制特性。

3.1异步电机坐标变换

    为了使试验分析的数学模型简化,由三相坐标到两相坐标的变化是必需的。在此次试验的分析中,采用的是静止两相坐标系(ab坐标),以避开旋转变换。变换矩阵为[1]

    (1)

    利用线电压与相电压的关系和公式(1)可以得到ab坐标下异步电机的定子电压和电流如下:

3.2异步电机电磁转矩计算

    在定子磁链计算的基础上,可以得到异步电机的电磁转矩表达式如下:

    其中,pn是电机极对数。

    3.3异步电机输入功率计算

    对于异步电机,有效输入功率P1的计算式为

    3.4异步电机输入电压电流畸变率计算

    其中,U1和I1是基波电压电流有效值,Uk和Ik(k=2,3…)是各电压电流谐波有效值。

    3.5直流发电机特性分析

    对于直流发电机来说,有以下公式成立:

    其中,Ia为发电机电枢电流,Ea为电枢感应电动势,If为励磁电流,T为直流电机电磁转矩。

    当进行低速负载试验时,由于直流电机负载的特殊性,系统的启动和停机操作规程如下:

    在系统启动时,保持整流桥与电阻箱之间的断路器断开,合直流励磁电路;

    启动电机至期望频率,测量电流电机机端电压VO以及整流桥输出VC,保证VC和VO在合理范围内时,合断路器;

    通过调压器调节电容电压直至负载电流达到一定值,当系统达到稳定时,记录电容电压和电阻两端的电压;

    当系统停机时,首先降低电容电压约等于直流电机开路电压,断开断路器,异步电机停机,直流电容放电。

窗函数的选取

    信号处理中的数据截断,就是一个窗函数的选择问题。而窗函数的引入对信号在时域和频域都有影响。窗函数的选取总是要求其频谱的主瓣尽量的窄,边瓣峰值尽量的小。而在几种常用的窗函数中,Hamming窗和Hanning窗具有比较小的边瓣和较大的衰减速度。在此选用Hamming窗。

    本试验滤波器设计

    首先设计数字低通滤波器,然后利用相减的方法得到高通滤波器,保证在低速时能较好地滤掉磁链和电流的直流分量,以利于准确的磁链观测和最终的转矩计算。

4数据处理流程

    为了处理数据的统一和方便,在此次试验绝大部分数据测取过程中,都统一采用录波仪记录以下六个测量量,即:异步电机机端的Uab、Ucb、Ia、Ic、变频器模拟输出端子AO1、AO2(各自代表实际转矩、转矩设定值或者电机转速)。

    此次试验的数据处理分成几个步骤,简单描述如下:

    将录波仪记录的原始数据*.HDR和*.WVF通过ftp协议从录波仪下载到计算机,并转化为文本数据文件*.CSV,为提高计算速度,将其转化为*.MAT文件,形成原始数据库,每个数据对应的试验情况和采样率等信息被记录在清单文件中。

    根据试验原理中描述的公式对试验数据进行计算,得到各个试验中的异步电机电磁转矩曲线。绝大部分试验数据采用同一程序进行计算,该程序的流程图如图2所示。

    计算结果后处理,主要将各不同试验得到的曲线进行比较。

图2计算程序流程图

5试验结果和分析

5.1稳态试验

    稳态试验主要考察两个变频器输出不同频率时异步电机的稳态运行性能,主要以异步电机电磁转矩纹波系数为考察性能指标,变频器的频率设定分别为1Hz、5Hz和50Hz,速度反馈分带码盘和不带码盘两种情况。在变频器设定频率为50Hz时,直流电机负载只使用电阻负载;而在5Hz和1Hz时,直流电机负载为电阻加直流源负载,以提高低速时负载大小。在变频器设定频率为50Hz时,同时考察电机输入侧的电流波形和电压畸变率、异步电机的功率因数以及异步电机――直流电机系统的效率。

    在详细考察高性能的异步电机矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)控制策略时,转速的闭环控制环节是必不可少的。此次试验采用的是欧姆龙公司的NPN集电极开路输出,E6C2-CWZ6C型速度码盘,每转脉冲数2000,安装时有较高的同轴度,从而可以较好的保证速度检测精度。

    相关试验结果如图3-5所示。

图3不同频率电磁转矩稳态纹波系数(带码盘)

图4不同频率下VC电磁转矩稳态纹波系数

(带码盘vs不带码盘)

图5不同频率下DTC电磁转矩稳态纹波系数

(带码盘vs不带码盘)

    试验说明,无论VC还是DTC,不带码盘相比较带码盘,尤其在低速的情况下,转速性能都会出现不同程度的恶化,尤其在低于5Hz后,两者对码盘的依赖性急剧增加。VC表现的对码盘的依赖性更突出一些。因此,单就A和B这两种型号的产品来讲,其无速度传感器的调速性能还不能够和带码盘时的性能相媲美,尤其在极低速的情况下。

6结论

    本文是以矢量控制与直接转矩控制策略比较为核心,从异步电机广义派克方程分析入手,对比两种控制策略原理,进行简单的理论分析,在变频器-异步电机试验平台上进行规范的试验。采用FIRDF较好地计算出异步电机定子磁链,给出两种控制策略下异步电机电磁转矩稳态和动态响应性能对比,对比结果与理论分析相符。

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