專利名稱：可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及變頻器控制技術，具體涉及一種可對VVVF開環系統中空載或輕載情況下的振蕩進行抑制的變頻器控制方法及裝置。
背景技術：
VVVF系統是當前使用最為廣泛的變頻器控制系統，根據用戶選擇的V/F特性可方便地實現變頻變壓調速。此類開環系統盡管存在低速力矩不足、動態響應欠佳等缺點，但由于使用時不依賴于電機參數，使用簡單，并可方便實現多機拖動，因此在風機、泵類驅動上應用十分廣泛。圖1示出典型的通用變頻器VVVF控制系統。該類開環系統中同時存在固有的不穩定性，在某些運行頻段，特別是半基頻附近(20Hz～30Hz)，易出現持續振蕩以至跳閘。在空、輕載運行情況下，這一問題尤為突出，限制了此類開環系統的運行調速范圍。研究表明，VVVF系統中的振蕩特性與電機定子電阻、瞬態漏抗的大小有關，并與逆變回路的死區時間設置存在密切的關系。常規的VSI驅動VVVF系統中，死區時間內一個相上下橋臂均處于關斷狀態，負載側能量向主回路電容側回饋，因此穩定運行時仍然存在有功及無功能量的波動。這一波動導致轉矩波動及電機轉速波動，在空載、輕載等阻尼較輕的情況下，激發電機轉子持續振蕩，變頻器輸出電流大幅振蕩，繼而引起跳閘，因此，必須采取措施抑制的振蕩。當已知電機參數時，引入速度環或電流環來抑制振蕩是容易的；但是VVVF控制的通用變頻器驅動極數及容量各不相同的感應電機，沒有任何依賴于電機參數的調節器，此時要抑制振蕩則較為困難。
從目前的技術發展來看，通用變頻器中無須電機參數，在不引入任何與之相關的轉速、電流調節器的條件下，主要存在以下幾種振蕩抑制方法1)逆變器直流側電流檢測，根據直流側電流的方向判斷振蕩是否存在，并通過頻率調節主動控制有功、無功能量流動來抑制振蕩。這種方法由于需要檢測直流側電流，因此必須在直流側串接采樣電阻，同時增加相應的振蕩鑒別電路。這一方案在通常直接檢測交流側輸出電流的變頻器中無法實現。2)直接根據變頻器交流側輸出電流幅值變化，通過微分負反饋控制進行頻率調節，依此進行振蕩抑制。如圖2所示。這種方法基于以下認識振蕩發生時電流矢量相對電壓矢量相位角出現一定形式的波動，因此通過電壓矢量位置角的擾動來抑制電流矢量相位的變化。這種方法缺乏嚴格的理論證明，無法保證在驅動不同功率及極對數的電機時均能有效。本發明人對不同功率電機的實驗結果亦證明了這一點。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法及裝置，可以在獨立于相關轉速、電流調節器的條件下抑制回路中輕載或空載時的振蕩問題。
本發明上述技術問題的解決基于以下分析電機運行振蕩時，變頻器輸出側電流幅值及相位均呈現大幅波動，因此，如能通過采樣逆變器母線電壓，對電流幅值及相位的進行適當的反饋控制，亦即通過變頻器輸出電壓、頻率的協調控制，進而有效抑制振蕩。
基于這一思想，本發明這樣解決上述技術問題，構造一種可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法，即一種微分負反饋電壓矢量相位、幅值協調的控制方案，具體包括以下步驟產生參考頻率；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率；利用修正后的頻率控制脈寬調制波的相位；由上述脈寬調制波控制所述變頻器；其特征在于，所述頻率修正量是通過以下步驟產生的檢測逆變器的母線電壓；對所述的母線電壓作比例一微分變換，得到頻率修正量。
在上述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法中，還包括由所述參考頻率產生控制所述脈寬調制波幅值的電壓的步驟。
在上述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法中，對所述母線電壓作比例一微分變換，包括以Kp1為比例因數、以τ1為時間常數對所述母線電壓Udc進行低通濾波變換得到第一調節量的步驟；以Kp2為比例因數、以τ2為時間常數對母線電壓Udc進行低通濾波變換得到第二調節量的步驟；將第一和第二調節量進行合成，得到頻率修正量。
在上述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法中，τ1》τ2，Kp2＝Kp1。
本發明另一目的這樣實現，構造一種可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置，包括參考頻率產生裝置；用于將參考頻率與頻率修正量疊加的加法器；根據修正后的頻率控制逆變器的脈寬調制器；其特征在于，還包括用于采樣逆變器母線電壓的采樣裝置；將母線電壓比例微分變換后，輸出頻率修正量的頻率修正裝置。
在上述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置中，還包括接收參考頻率信號，產生控制脈寬調制器控制電壓的電壓轉換裝置。
在上述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置中，所述頻率修正裝置包括接收母線電壓信號，分別進行兩個不同的低通濾波變換，并輸出第一頻率修正量、第二頻率修正量的第一頻率修正裝置和第二頻率修正裝置；將第一頻率修正量和第二頻率修正量相加，輸出頻率修正量的第二加法器。
在上述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置中，所述第一、第二頻率修正裝置中微分環節的時間系數分別為τ1和τ2，比例環節的比例系數分別為Kp1和Kp2，其中τ1＞＞τ2，Kpi＝Kp2。
實施本發明提供的可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法及裝置，由于無須使用電機參數，不需要通常的轉速及電流調節器，通過母線電壓微分反饋控制，有效地解決了VVVF控制系統中存在的振蕩問題。因為沒有采用常規的電流、轉速調節器，使得系統實現十分簡單，魯棒性強，可以適應不同種類的感應電機。理論分析及實踐均表明，本發明的這種控制方法和裝置簡單而實用，具有廣泛的應用前景。
圖1是現有技術中典型通用變頻器VVVF控制系統；圖2是現有技術基于逆變器輸出電流幅值的控制框圖；圖3是電壓定向的坐標系統的示意圖；圖4是母線電容充電電流示意圖；圖5是本發明的振蕩抑制方法的原理性示意圖；圖6是本發明的振蕩抑制方法實施例邏輯框圖；圖7是實現本發明方法的程序流程示意圖；圖8是變頻器載波頻率為6K情況下，電機空載運行在24.70Hz的電流波形圖；圖9是采用本發明方法后變頻器載波頻率為6K情況下，電機空載運行在24.70Hz的電流波形圖。
具體實施例方式
本發明是為解決輕載情況下VVVF系統的振蕩問題，本發明控制方法及裝置是基于圖3所示的電壓矢量定向的坐標系統進行。該坐標系中，電流矢量與電壓矢量的夾角為功率因數角。電流矢量在電壓矢量方向的投影即電機有功電流，而在垂直方向上的投影即電機無功電流。在運行頻率較高時，電機有功電流即反映了電機轉矩電流的大小。由于VVVF方式下電機振蕩運行點通常大于5Hz，因此分析時可以認為電流矢量的d軸分量即反映了電機瞬時轉矩電流，檢測該分量的變化就能間接的檢測電磁轉矩的波動情況。根據電機的機電平衡方程Te-Tl=Jdωrdt---(1)]]>Te＝K1isd(2)由(2)可得ΔTe＝K1Δisd(3)這里假設負載恒定，綜合(1)、(3)采用小信號分析可以得到在穩定運行平衡點附近有ΔTe=Jdωrdt=K1Δisd---(4)]]>亦即dωrdt=K1JΔisd---(5)]]>顯然，如果運行頻率恒定，則有dωsdt=-dωrdt=-K1JΔisd---(6)]]>式中ωs為瞬時滑差角頻率。
另一方面，如圖4所示，根據能量守衡原理，直流側母線電容電流(以放電電流方向為正向)為idc2=us·isdUdc---(7)]]>
輕載及空載情況下，恒速穩定運行時，ic≈0，母線電壓基本恒定；出現不穩定狀態時，可以認為由于idc2的變化引起ic變化，從而導致母線電壓波動，此時可以得到ΔUdc=-∫0Tsus·ΔisdCdc·Udcdt---(8)]]>式中ω1為定子電角頻率，Ts為母線電壓采樣周期，在該采樣周期內近似認為Δisd不變，則有ΔUdcTs=-us·ΔisdCdc·Udc---(9)]]>(9)式推導結果事實上可以通過以下物理意義進行解釋在穩定運行平衡點附近，當電磁轉矩波動引起電機轉速增加時，電機處于發電運行狀態，將能量回饋至直流側，引起母線電壓上升，此時需要增加定子運行頻率來抑制轉速的增加及母線電壓上升；相反，當電機電磁轉矩波動引起電機轉速減小，電機處于電動狀態，母線電壓降低，此時需要降低定子運行頻率來抑制電機轉速減小及母線電壓的降低。通過這一微分負反饋控制，有效的抑制了電機轉速的波動，從而避免了輕空載狀態下的不穩定運行狀態。穩定狀態下，母線電壓保持不變，頻率調節不起作用。以上控制基本思想是控制電機轉子速度穩定，同時最終控制母線電壓相對穩定。
上圖中，系統采樣的母線電壓分別經過兩個低通濾波環節處理后合成為最終的微分處理信號，這主要是考慮到直接進行微分運算時噪聲的影響，系統采用兩個時間常數不同的低通濾波環節處理后合成獲得頻率調節量。實際系統設計時，Kp1＝Kp2，τ1＞＞τ2。
以上控制方案可以通過圖5表示。為抑制開環系統振蕩，變頻器控制包括這樣一些環節產生參考頻率501；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率502；利用修正后的頻率控制脈寬調制波的相位503；由上述脈寬調制波控制所述變頻器504；提供進行疊加的頻率修正量這樣產生檢測逆變器的母線電壓505；對所述的母線電壓作比例一微分變換得到頻率修正量506以及由參考頻率產生控制所述脈寬調制波幅值的電壓的環節507。
圖5技術方案還可以進一步用圖6表示對所述母線電壓作比例一微分變換的實現細節，具體有包括以Kp1為比例因數、以τ1為時間常數對所述母線電壓Udc進行低通濾波變換得到第一調節量601；以Kp2為比例因數、以τ2為時間常數對母線電壓Udc進行低通濾波變換得到第二調節量602；將上述第一和第二調節量進行合成，得到頻率修正量603。其中，τ1＞＞τ2，Kp2＝Kp1。
本發明上述方法可采用軟件實現，圖7示出了具體實現的軟件框圖。從流程圖來看其軟件實現包括以下幾個環節母線電壓采樣(框701)、微分環節處理(框702)、頻率調節限幅(框703)、頻率調節量濾波(框704)以及運行頻率更新(框705)。
本發明的裝置可以采用和圖6和圖7對應的邏輯模塊實現。
應用本發明上述變頻器控制方法和裝置的實驗結果如下采用上述方案驅動一變頻電機，該電機參數如下額定電壓380V，額定電流24A，額定功率7.5KW，額定轉速1165rpm，額定運行頻率60HZ。若無任何振蕩抑制措施，VVVF系統驅動該電機運轉，電機空載情況下在20~30HZ容易震蕩，圖8為變頻器載波頻率為6K情況下，電機空載運行在24.70HZ的電流波形，圖中一格表示10A。
采用上述振蕩抑制方案，變頻器驅動電機運轉，電機空載情況下在1~60HZ運行平穩，圖9為變頻器載波頻率為6K情況下，電機空載運行在24.70HZ的電流波形，圖中的一格表示10A。
權利要求
1.一種可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法，包括以下步驟產生參考頻率；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率；利用修正后的頻率控制脈寬調制波的相位；由上述脈寬調制波控制所述變頻器；其特征在于，所述頻率修正量是通過以下步驟產生的檢測逆變器的母線電壓；對所述的母線電壓作比例-微分變換，得到頻率修正量。
2.根據權利要求1所述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法，其特征在于，還包括由所述參考頻率產生控制所述脈寬調制波幅值的電壓的步驟。
3.根據權利要求1或2所述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法，其特征在于，對所述母線電壓作比例-微分變換，包括以Kp1為比例因數、以τ1為時間常數對所述母線電壓Udc進行低通濾波變換得到第一調節量的步驟；以KD2為比例因數、以τ2為時間常數對母線電壓Udc進行低通濾波變換得到第二調節量的步驟；將第一和第二調節量進行合成，得到頻率修正量。
4.根據權利要求3所述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制方法，其特征在于，τ1》τ2，Kp2＝Kp1。
5.一種可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置，包括參考頻率產生裝置；用于將參考頻率與頻率修正量疊加的加法器；根據修正后的頻率控制逆變器的脈寬調制器；其特征在于，還包括用于采樣逆變器母線電壓的采樣裝置；將母線電壓比例微分變換后，輸出頻率修正量的頻率修正裝置。
6.根據權利要求5所述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置，其特征在于，還包括接收參考頻率信號，產生控制脈寬調制器控制電壓的電壓轉換裝置。
7.根據權利要求5或6所述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置，其特征在于，所述頻率修正裝置包括接收母線電壓信號，分別進行兩個不同的低通濾波變換，并輸出第一頻率修正量、第二頻率修正量的第一頻率修正裝置和第二頻率修正裝置；將第一頻率修正量和第二頻率修正量相加，輸出頻率修正量的第二加法器。
8.如權利要求7所述可抑制開環系統振蕩的變頻器控制裝置，其特征在于所述第一、第二頻率修正裝置中微分環節的時間系數分別為τ1和τ2，比例環節的比例系數分別為Kp1和Kp2，其中τ1＞＞τ2，Kp1＝Kp2。
全文摘要
一種采用微分負反饋電壓矢量相位、幅值協調的控制方案對VVVF開環系統中空載或輕載情況下的振蕩進行抑制的變頻器控制方法及裝置，有以下步驟產生參考頻率；將參考頻率與頻率修正量疊加得到修正后的頻率；利用修正后的頻率控制脈寬調制波的相位；由上述脈寬調制波控制所述變頻器；其中，頻率修正量是通過以下步驟產生的檢測逆變器的母線電壓；對所述的母線電壓作比例－微分變換，得到頻率修正量。這種控制方法及裝置，由于無須使用電機參數，不需要通常的轉速及電流調節器，通過母線電壓微分反饋控制，有效解決了控制系統中存在的振蕩問題。因為沒有采用常規的電流、轉速調節器，使得系統實現十分簡單，魯棒性強，可以適應不同種類的感應電機，簡單而實用。
文檔編號H02M7/00GK1505249SQ02152159
公開日2004年6月16日 申請日期2002年12月3日 優先權日2002年12月3日
發明者廖海平 申請人:艾默生網絡能源有限公司