專利名稱：基于有功電流分量的通用變頻器自動提升轉矩的方法
技術領域：
本發明涉及變頻器控制技術，具體涉及一種提高VVVF(變壓變頻)開環控制算法性能的啟動和低速帶負載能力的變頻器控制方法。
背景技術：
VVVF(變壓變頻)控制由于使用時無須依賴于電機參數，具有簡單、可靠、低成本等優點，在交流調速領域得到廣泛的應用。目前，VVVF系統是使用最為廣泛的變頻器控制系統。
VVVF(變壓變頻)控制變頻調速時改變的是同步旋轉速度n0，根據感應電機的穩態模型可知電機的轉矩為
其中的Φm為電機磁通。根據交流磁通產生的原理，Φm＝kE1/f1，其中E1和f1分別為電機的相反電動勢電壓和頻率，k為一常數，當保持E1和f1之比E1/f1為常數時即可保持恒磁通調速。但是由于E1難于測量，所以經常采用相電壓V1來近似代替E1，即保持V1/f1為常數，就認為已經實現恒磁通，而如圖1所示的感應電機的穩態等效電路可知V1與E1的關系為V1＝E1+R1i1，其中R1和i1分別為定子電阻和定子電流。在高頻段(一般在額定轉速的10％以上)感應電勢E1大，定子阻抗壓降R1i1相對很小可以忽略不計；而在低頻段感應電勢E1小，定子電阻壓降R1i1相對較大不能忽略，特別是當負載比較重時，電機電流i1比較大，從而使得定子電阻壓降R1i1進一步增大，所以當用V1/f1近似代替E1/f1時，在低頻段會使磁通Φm減小，從而使電機輸出轉矩減小，帶負載能力變差。為了保證低頻時依然能獲得額定磁通和相應的輸出轉矩，在低頻段應適當提高輸出電壓V1，以補償R1i1的影響，由于在不同負載情況下電壓V1的提升值并不同，重載時提升值大，輕載時提升值小，如果提升值不準確，很容易造成過流故障或不能正常帶載起動。所以需要一種自動轉矩提升的方法。
從目前的發展技術來看，提高通用變頻器起動轉矩，改善低頻帶負載能力，對定子電阻進行補償的方法主要有以下兩種1)矢量補償矢量補償是按照電機輸入電壓和輸入電流之間的三角關系來計算定子電壓給定值的，從幅值和相角兩方面來修正定子電壓V1。矢量補償雖然準確，但是定子電流矢量
和定子電壓矢量
之間的夾角不易獲得，且計算復雜，難以實現。2)標量補償標量補償只修正定子電壓矢量
的幅值，即式中E1*是定子反電動勢的給定值，由頻率給定值f1和壓頻比V/f相乘產生；Vb是電壓幅值的補償量。通常取Vb＝i1R1，但工程實踐表明這種補償方法容易導致磁通Φm飽和，電流增大，而電機的帶負載能力沒有明顯提高，尤其當負載突降時，定子磁路飽和現象更明顯，所以這種標量補償策略容易導致過補償；當取Vb＝i1qR1時，其中i1q是定子電流解耦后的轉矩電流。此種方法能明顯提高電機的帶負載能力，但需要進行轉子磁鏈定向來實現電流的解耦，對電機參數敏感，且計算量大。綜上所述現有的提高通用變頻器起動轉矩，改善低頻帶負載能力，對定子電阻進行補償的方法普遍存在計算復雜、實現困難、定子磁路易飽和容易發生過補償的缺點。
發明內容
本發明為了克服現有提高通用變頻器起動轉矩，改善低頻帶負載能力，對定子電阻進行補償的方法普遍存在計算復雜、實現困難、定子磁路易飽和容易發生過補償的缺點，而提出的一種基于有功電流分量的通用變頻器自動提升轉矩的方法。
基于有功電流分量的通用變頻器自動提升轉矩的方法，實現該方法基于由SVPWM信號發生器1、逆變器2、坐標變換器3、定子電阻模塊4、加法器5、積分器6、壓頻比模塊7和兩個電流傳感器8組成的裝置；SVPWM信號發生器1的六個輸出端分別連逆變器2的六個控制端，坐標變換器3的W相和U相兩個信號輸入端分別連接一個電流傳感器8，所述兩個電流傳感器8相對應地測量逆變器2輸出的W相和U相的工作電流，坐標變換器3的信號輸出端通過定子電阻模塊4連接在加法器5的一個正向輸入端，加法器5的輸出端連接SVPWM信號發生器1的一個輸入端；積分器6的輸入端與壓頻比模塊7的輸入端相連，積分器6的輸出端分別連接SVPWM信號發生器1的另一個輸入端和坐標變換器3的電壓矢量角度輸入端；壓頻比模塊7的輸出端與加法器5的另一個正向輸入端相連； 本方法通過下述步驟實現 步驟一根據壓頻比模塊7提供的壓頻比V/f和當前運行頻率f1，依據公式得到參考輸出電壓E1*； 步驟二通過兩個電流傳感器8對逆變器2的U相和W相兩個輸出端的輸出電流iU和iW的幅值和相位進行采樣； 步驟三將定子頻率f1通過積分器6積分變換獲得電壓矢量旋轉角度θ1，根據所述電壓矢量旋轉角度θ1將步驟二獲得的電流iU和iW的幅值和相位通過坐標變換器3進行坐標變換，獲得旋轉坐標系下的有功電流id； 步驟四根據公式Vb＝idR1，得到電壓幅值的補償量Vb，其中參數R1為定子電阻模塊4給定的定子電阻； 步驟五將參考輸出電壓E1*和電壓幅值的補償量Vb通過加法器5進行疊加得到提升后的調整電壓V1并輸入SVPWM信號發生器1； 步驟六SVPWM信號發生器1根據加法器5輸出的調整電壓V1和積分器6輸出的電壓矢量的旋轉角度θ1生成調制信號，并通過逆變器2控制變頻器。
本發明的有益效果在于在實施這種自動轉矩提升的過程中，僅需知道定子電阻R1的大致范圍，無須轉速和電流控制器，通過與電流有功分量id相乘，作為輸出電壓的補償量Vb，能明顯改善通用變頻器控制的感應電機的低速帶載性能。因為沒有采用常規的電流、轉速調節器，使得系統的實現十分簡單，魯棒性強，可適應不同種類的感應電機。當負載比較輕時，電機有功電流id比較小，根據本補償方法得到的電壓幅值補償量Vb＝idR1相應也比較小；而當負載增加時，電機的有功電流id增大，此時由本補償方法得到的電壓幅值補償量相應增大。這樣就能根據負載的輕重自動地調節電壓幅值補償量的大小，達到自動轉矩提升的目的，使得這種控制方法具有廣泛的實用性。
圖1為電機的穩態等效電路圖；圖2是實現本發明方法的裝置電氣結構示意圖；圖3為輸入到坐標變換器3中電流的矢量分解示意圖；圖4為不加定子電阻壓降補償時，電機帶負載起動時的相電流波形，圖中的一格表示15A電流；圖5為基于定子電流補償方法的電機帶負載相電流波形，圖中一格表示7.5A電流；圖6為采用矢量補償時的電機帶負載起動相電流波形，圖中一格表示7.5A電流；圖7為采用本發明的自動轉矩提升方法的電機帶負載起動電流波形，此時取定子電阻R1＝0.685Ω，圖中一格表示7.5A電流；圖8為采用本發明的自動轉矩提升方法的電機帶負載起動電流波形，此時取定子電阻R1＝0.785Ω，圖中一格表示7.5A電流；圖9為采用本發明的自動轉矩提升方法的電機帶負載起動電流波形，此時取定子電阻R1＝0.585Ω，圖中一格表示7.5A電流。
具體實施例方式 結合圖2、圖3說明本實施方式，實現本實施方式所述的方法基于由SVPWM信號發生器1、逆變器2、坐標變換器3、定子電阻模塊4、加法器5、積分器6、壓頻比模塊7和兩個電流傳感器8組成的裝置；SVPWM信號發生器1的六個輸出端分別連逆變器2的六個控制端；坐標變換器3的W相和U相兩個信號輸入端分別連接一個電流傳感器8，所述兩個電流傳感器8相對應地測量逆變器2輸出的W相和U相的工作電流，坐標變換器3的信號輸出端通過定子電阻模塊4連接在加法器5的一個正向輸入端，加法器5的輸出端連接SVPWM信號發生器1的一個輸入端；積分器6的輸入端與壓頻比模塊7的輸入端相連，積分器6的輸出端分別連接SVPWM信號發生器1的另一個輸入端和坐標變換器3的電壓矢量角度輸入端；壓頻比模塊7的輸出端與加法器5的另一個正向輸入端相連； 本實施方式所述的方法通過下述步驟實現 步驟一根據壓頻比模塊7提供的壓頻比V/f和當前運行頻率f1，依據公式得到參考輸出電壓E1*； 步驟二通過兩個電流傳感器8對逆變器2的U相和W相兩個輸出端的輸出電流iU和iW的幅值和相位進行采樣； 步驟三將定子頻率f1通過積分器6積分變換獲得電壓矢量旋轉角度θ1，根據所述電壓矢量旋轉角度θ1將步驟二獲得的電流iU和iW的幅值和相位通過坐標變換器3進行坐標變換，獲得旋轉坐標系下的有功電流id； 步驟四根據公式Vb＝idR1，得到電壓幅值的補償量Vb，其中參數R1為定子電阻模塊4給定的定子電阻； 步驟五將參考輸出電壓E1*和電壓幅值的補償量Vb通過加法器5進行疊加得到提升后的調整電壓V1并輸入SVPWM信號發生器1； 步驟六SVPWM信號發生器1根據加法器5輸出的調整電壓V1和積分器6輸出的電壓矢量的旋轉角度θ1生成調制信號，并通過逆變器2控制變頻器。
步驟三所述的坐標變換由公式 和實現， 其中，參數θ1為定子電壓矢量角，其計算公式為θ1＝∫2πf1dt；通過坐標變換，將定子電流分解成有功電流分量id和無功電流分量iq。
采用本實施方式的方法驅動和控制感應電機，該電機的參數如下額定電壓380V，額定電流15.4A，額定功率為7.5kW，額定轉速為1440r/min，額定頻率為50Hz。若不對定子電阻壓降進行補償，在低頻段電機的輸出轉矩小，帶負載能力差。圖4為不加定子電阻壓降補償時，電機帶負載起動時的一相電流波形，從圖中可以看出，電機電流緩慢增加，當電流達到2倍的額定電流時電機仍未起動起來，且由于變頻器的限流功能，電機電流將保持在2倍的額定電流不再增加，保持一段時間后，變頻器出現過載保護，封鎖PWM驅動信號，電機電流降為0。圖5為采用現有的基于定子電流補償方法的電機帶負載相電流波形，圖6為采用現有的矢量補償時的電機帶負載起動相電流波形。從圖5和圖6可以看出，在滿載起動過程中，電機電流首先會增大到1.5倍的額定電流，等到電機起動起來后，電流才降回到額定電流，所以這其中存在一個過補償的問題。且運行到4Hz時電機才能起動起來，低速性能比較差。圖7為采用本實施方式的自動轉矩提升方法的電機帶負載起動電流波形，此時取定子電阻R1＝0.685Ω，為電機的實際定子電阻。圖8為取定子電阻R1＝0.785Ω時的電機帶負載起動相電流波形。圖9為取定子電阻R1＝0.585Ω時的電機帶負載起動相電流波形。從圖7、圖8和圖9可以看出采用本方法電機的起動轉矩非常大，在滿載情況下，運行到1.5Hz電機即可起動起來。且當取不同的定子電阻時，起動電流的波形變化不是很大，變頻器仍具有較好的起動轉矩，因而對電機參數具有很好的魯棒性。
權利要求
1、基于有功電流分量的通用變頻器自動提升轉矩的方法，實現該方法基于由SVPWM信號發生器(1)、逆變器(2)、坐標變換器(3)、定子電阻模塊(4)、加法器(5)、積分器(6)、壓頻比模塊(7)和兩個電流傳感器(8)組成的裝置；其特征在于SVPWM信號發生器(1)的六個輸出端分別連逆變器(2)的六個控制端，坐標變換器(3)的W相和U相兩個信號輸入端分別連接一個電流傳感器(8)，所述兩個電流傳感器(8)相對應地測量逆變器(2)輸出的W相和U相的工作電流，坐標變換器(3)的信號輸出端通過定子電阻模塊(4)連接在加法器(5)的一個正向輸入端，加法器(5)的輸出端連接SVPWM信號發生器(1)的一個輸入端；積分器(6)的輸入端與壓頻比模塊(7)的輸入端相連，積分器(6)的輸出端分別連接SVPWM信號發生器(1)的另一個輸入端和坐標變換器(3)的電壓矢量角度輸入端；壓頻比模塊(7)的輸出端與加法器(5)的另一個正向輸入端相連；
所述方法通過下述步驟實現
步驟一根據壓頻比模塊(7)提供的壓頻比V/f和當前定子運行頻率f1，依據公式得到參考輸出電壓E1*；
步驟二通過兩個電流傳感器(8)對逆變器(2)的U相和W相兩個輸出端的輸出電流iU和iW的幅值和相位進行采樣；
步驟三將定子運行頻率f1通過積分器(6)積分變換獲得電壓矢量旋轉角度θ1，根據所述電壓矢量旋轉角度θ1將步驟二獲得的電流iU和iW的幅值和相位通過坐標變換器(3)進行坐標變換，獲得旋轉坐標系下的有功電流id；
步驟四根據公式Vb＝idR1，得到電壓幅值的補償量Vb，其中參數R1為定子電阻模塊(4)給定的定子電阻；
步驟五將參考輸出電壓E1*和電壓幅值的補償量Vb通過加法器(5)進行疊加得到提升后的調整電壓V1并輸入SVPWM信號發生器(1)；
步驟六SVPWM信號發生器(1)根據加法器(5)輸出的調整電壓V1和積分器(6)輸出的電壓矢量的旋轉角度θ1生成調制信號，并通過逆變器(2)控制變頻器。
2、根據權利要求1所述的基于有功電流分量的通用變頻器自動提升轉矩的方法，其特征在于步驟三所述的坐標變換由公式
和實現，
其中，參數θ1為定子電壓矢量角，其計算公式為θ1＝∫2πf1dt；通過坐標變換，將定子電流分解成有功電流分量id和無功電流分量iq。
全文摘要
基于有功電流分量的通用變頻器自動提升轉矩的方法，涉及變頻器控制技術，它為了克服對通用變頻器起動轉矩，低頻帶負載能力的方法存在計算復雜、定子磁路易飽和進而導致過補償的缺點而提出的，它通過下述步驟實現根據當前運行頻率，得到參考輸出電壓E1*和電壓矢量旋轉角θ1；根據電壓矢量旋轉角θ1和采樣得到的逆變器輸出電流iU和iW獲得有功電流id，進而得到電壓幅值補償量Vb；SVPWM信號發生器根據所述參考輸出電壓E1*和電壓幅值補償量Vb相疊加得到的調整電壓生成調制信號控制變頻器。它的有益效果在于能根據負載的輕重自動地調節電壓幅值補償量的大小，達到自動提升轉矩的目的，能明顯改善通用變頻器控制的感應電機的低速帶載性能。廣泛適應于現有通用變頻器控制。
文檔編號H02P27/04GK101330273SQ20081006483
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月1日 優先權日2008年7月1日
發明者泳 于, 偉 陳, 楊榮峰, 徐殿國, 明 楊, 貴獻國 申請人:哈爾濱工業大學