摘要 ：本文在傳統(tǒng) VF 控制算法的基礎(chǔ)上，提出了一種包括預(yù)勵磁、定子電流抑制、諧振抑制等功能的 VF控制策略優(yōu)化方案。通過預(yù)勵磁，可以增大電機(jī)啟動瞬間的轉(zhuǎn)矩輸出；通過電流抑制功能，可以限制電機(jī)啟動過程的電流幅值，避免過流跳閘；諧振抑制功能可以消除電機(jī)在某些特定頻段的振蕩現(xiàn)象。仿真和實驗都證明了以上算法的正確性和有效性。

1引言

    變頻器驅(qū)動控制一般分為VF開環(huán)控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。VF控制屬于開環(huán)控制，控制算法簡單，實現(xiàn)成本低，不依賴電機(jī)參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性高，但是轉(zhuǎn)速控制精度不高，動態(tài)響應(yīng)慢。矢量控制則可以通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換對磁通和轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)解耦控制，使交流電機(jī)具有類似直流電機(jī)的優(yōu)良控制特性，轉(zhuǎn)速控制精度高，但是這種控制方法受電機(jī)參數(shù)影響較大。直接轉(zhuǎn)矩控制則是保持定子磁鏈幅值恒定，通過控制電機(jī)負(fù)載角來直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，具有較快的動態(tài)響應(yīng)。

    相對于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制來說，VF控制在轉(zhuǎn)速控制精度和動態(tài)響應(yīng)速度等指標(biāo)上都存在一定的差距，但是由于其實現(xiàn)方法簡單、成本低，魯棒性高，在交流調(diào)速領(lǐng)域依然有十分廣泛的應(yīng)用。此外，從系統(tǒng)通用性的角度來說，VF控制也是交流變頻驅(qū)動領(lǐng)域最基本、適用場合較多的一種控制方式。因此，在傳統(tǒng)VF控制方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制策略的完善和優(yōu)化，已減少或彌補(bǔ)其在控制精度和響應(yīng)速度等方面的不足就成為一項重要的工作。本文提出了一種通過預(yù)勵磁、定子電流抑制、諧振抑制等功能來優(yōu)化VF控制性能的控制策略，并通過仿真和實驗對控制策略進(jìn)行了分析和驗證。

2VF控制原理

    根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動機(jī)的相電動勢表達(dá)式為

    式中，f1為定子電源頻率，N1為定子每相繞組匝數(shù)，KN1為繞組系數(shù)，φm為主磁通。

    可以看出，當(dāng)E1/f1的值保持不變時，主磁通φm保持不變。但是電動勢E1不能直接控制，因此我們通過控制定子電壓U1與頻率f1的比值保持不變，從而使主磁通保持恒定。當(dāng)頻率較高時，定子電壓較高，可以忽略定子電阻的電壓降；但是在低頻時，定子電阻壓降的影響不可忽略，需要通過定子電壓補(bǔ)償?shù)姆绞礁纳芕F控制的低頻性能。

    本文所采用的控制策略的整體框圖如圖1所示。在傳統(tǒng)VF控制的基礎(chǔ)上增加了預(yù)勵磁、定子電流抑制和諧振抑制功能。預(yù)勵磁功能可以在電機(jī)啟動之前預(yù)先建立磁通，使電機(jī)在啟動瞬間有一定的轉(zhuǎn)矩輸出，加快電機(jī)的啟動速度；定子電流抑制功能可以抑制電機(jī)加速過程中電流模值在允許的范圍內(nèi)，防止電流過流保護(hù)跳閘；諧振抑制功能則可以有效抑制電機(jī)在某些特定頻段的振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。

3 預(yù)勵磁功能

    在異步電動機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)啟動時往往會因為啟動轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致電機(jī)啟動緩慢，從而造成啟動電流過大，一方面可能造成系統(tǒng)的過流報警導(dǎo)致跳閘，另一方面可能對變頻器的電力電子器件造成損壞或減少裝置的使用壽命。

    提高 VF 控制下啟動轉(zhuǎn)矩的有效方法是直流預(yù)勵磁，就是在電機(jī)啟動之前在定子側(cè)施加直流電壓，從而在電機(jī)內(nèi)部注入直流電流，建立一個固定方向與幅值的磁鏈，由于方向固定，轉(zhuǎn)子繞組不會切割磁力線，因此不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，預(yù)勵磁時間結(jié)束后進(jìn)入 VF 正常啟動狀態(tài)。

    直流預(yù)勵磁的理論分析如下：異步電動機(jī)的單相等效電路如圖 2 所示，圖中 為定子電壓，R s 為定子電阻，R r '/s為歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻， 為定子漏抗， 為歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗，R m 為激磁電阻，L m 為激磁電抗， 為定子電流， 為轉(zhuǎn)子電流。

    電機(jī)定子磁鏈公式、轉(zhuǎn)子磁鏈、氣隙磁鏈分別為：

    當(dāng)勵磁電流穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)子電流為0，式（2）可以寫成：

    可知，定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈、氣隙磁鏈同向。根據(jù)異步電動機(jī)矢量控制理論，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)矩公式為

    可知，當(dāng)定子電流與定子磁鏈方向相差90°時輸出轉(zhuǎn)矩最大，因此在預(yù)勵磁結(jié)束時刻將輸出電壓矢量變換90°，即輸出一個與磁鏈?zhǔn)噶肯嗖?0°的定子電流矢量，就可以提高啟動瞬間的輸出轉(zhuǎn)矩，改善啟動性能。

    本文的直流預(yù)勵磁具體實現(xiàn)方法如圖3所示。首先根據(jù)電機(jī)勵磁時間常數(shù)給定預(yù)勵磁時間，給定預(yù)勵磁電流指令，采用電流模值閉環(huán)輸出得到給定電壓幅值，并給定初始電壓矢量角。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)勵磁時間后，輸出電壓矢量角增加90°，使得該瞬間的電流矢量和磁鏈?zhǔn)噶康膴A角為90°，輸出最大轉(zhuǎn)矩，之后電機(jī)慢慢回到VF曲線啟動運(yùn)行。預(yù)勵磁時間的取值和勵磁電流的取值。

4定子電流抑制

    定子電流抑制功能（Imax控制，下同）的作用是保證電機(jī)在啟動過程中定子電流值不會超過設(shè)定值。

    根據(jù)圖2的電機(jī)等效電路所示，電機(jī)定子電流增大的原因主要有兩個：一是轉(zhuǎn)差s變大，造成電路右側(cè)之路的等效阻抗很小，定子電流變大；二是定子電壓變大，在電路等效阻抗不變的情況下，定子電流變大。針對第一個原因，可以通過減小變頻器輸出的同步頻率，從而減小轉(zhuǎn)差，從而達(dá)到減小定子電流的目的。針對第二個原因，則可以通過降低輸出定子電壓的幅值來減小定子電流。

    根據(jù)以上分析，Imax控制的控制框圖如圖4所示。整個控制功能由頻率調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器構(gòu)成，前者的輸出作用于輸出頻率，后者的輸出作用于輸出電壓，兩個控制器均由PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。為了達(dá)到限制電流的目的，調(diào)節(jié)器的輸出必須設(shè)置上限為0，目的是當(dāng)定子實際電流值沒有超過電流設(shè)定值Imax_set時，PI調(diào)節(jié)器不起作用，以防止將電流調(diào)大。當(dāng)頻率調(diào)節(jié)器起作用時，輸出頻率減小，可以一直減小到允許的最小頻率，同時速度給定的斜坡輸出保持恒定，如果電流仍然沒有降低到要求的范圍內(nèi)，就需要通過電壓調(diào)節(jié)器的作用使電流繼續(xù)降低。當(dāng)電流限制在Imax_set以下時，輸出頻率仍沿著原來設(shè)定的斜坡繼續(xù)啟動。

5諧振抑制

    異步電機(jī)在VF開環(huán)控制模式下的空載或輕載運(yùn)行時往往會在某一頻率段產(chǎn)生運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩波動，電流大幅變化和頻率的變換，也就是電流振蕩現(xiàn)象。很多論文對該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，這是一個十分復(fù)雜的問題，與電機(jī)參數(shù)、DC濾波電容、載波頻率、系統(tǒng)諧振頻率等眾多因素有關(guān)。該現(xiàn)象通常會導(dǎo)致系統(tǒng)過流報警跳閘，使系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性下降，因此對該現(xiàn)象進(jìn)行有效的抑制十分必要。

    當(dāng)電機(jī)發(fā)生振蕩時，定子輸出頻率不變，轉(zhuǎn)差發(fā)生波動，意味著電流有功分量發(fā)生波動。因此，可以通過提取有功電流振蕩分量，反饋至輸出頻率抑制轉(zhuǎn)差波動，從而達(dá)到抑制電流振蕩的目的。

    本文提出了一種基于定子電流有功分量的振蕩抑制方法，其具體控制框圖如圖5所示。

    采集三相定子電流，經(jīng)過CLARK變換和PARK變換得出定子電流的有功分量iq和無功分量id，變換角度通過定子電壓矢量角減去得到，近似等于轉(zhuǎn)子磁鏈角。將有功電流分量iq經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)（圖中M2模塊）后與iq相減，得到有功電流中所含的振蕩分量，振蕩分量經(jīng)過比例系數(shù)Kp后作用于給定頻率fset，得到最終的輸出頻率fout。圖中的M2模塊用來控制諧振抑制功能作用的頻率段，通過對f1和f2兩個參數(shù)的設(shè)置，來確定諧振抑制功能的起始作用頻率和終止作用頻率。

6仿真研究

    本文對上述控制策略進(jìn)行了PSIM仿真，仿真所用的電機(jī)參數(shù)如表1所示。根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)置了仿真和實驗時的各變量的基準(zhǔn)值，其中電壓基準(zhǔn)值為相電壓峰值310.23V，電流基準(zhǔn)值為相電流峰值32.23A，頻率基準(zhǔn)值為50Hz，其他基準(zhǔn)值均由這些基準(zhǔn)值計算得出。此外，計算得電機(jī)額定負(fù)載為71.94Nm。

6.1預(yù)勵磁功能的仿真

    預(yù)勵磁功能的仿真結(jié)果如圖6所示，電機(jī)負(fù)載為額定負(fù)載，變量顯示均為標(biāo)幺值。

    圖6（a）為沒有加入預(yù)勵磁功能時電機(jī)直接啟動的電流波形；圖6（b）為加入預(yù)勵磁后的電機(jī)的啟動電流波形；圖6（c）為無預(yù)勵磁功能時的轉(zhuǎn)速跟蹤仿真波形，可以看出，實際轉(zhuǎn)速跟蹤較慢，啟動有延時；圖6（d）為有預(yù)勵磁功能時的轉(zhuǎn)速跟蹤仿真波形，實際轉(zhuǎn)速跟蹤較快，基本是無延時啟動。

6.2Imax控制功能的仿真

    Imax控制功能的仿真波形如圖7所示，電機(jī)負(fù)載為額定負(fù)載，加速時間2s。沒有加入Imax控制功能時，電機(jī)啟動時的電流波形如圖7（a）所示,電機(jī)起動過程中，大約在0.2s~0.45s的范圍內(nèi)，電流模值超過1.0，最大值達(dá)到1.7左右，啟動電流比較大。使能Imax抑制功能，電流限幅Imax_Set=1.0，其電機(jī)啟動波形如圖7（b）示，整個啟動過程中，定子電流模值一直被抑制在1.0左右及其以下的范圍內(nèi)，可以有效控制電機(jī)啟動過程中的電流模值，避免電流過大造成過流報警甚至跳閘。

6.3諧振抑制功能的仿真

    給出一組電機(jī)參數(shù)，在給定系統(tǒng)參數(shù)的情況下在20~30Hz頻段容易發(fā)生振蕩，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真，電機(jī)參數(shù)如表2所示。

    圖8給出了諧振抑制的仿真波形。圖8（a）為未加入諧振抑制時20Hz時的三相電流波形，可以看出發(fā)生了很嚴(yán)重的振蕩現(xiàn)象，圖8（b）為加入諧振抑制時的20Hz時的三相電流波形，可以看出電流變得三相對稱且正弦。

7實驗驗證

    本文在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實驗，實驗電機(jī)參數(shù)如表1所示。

7.1預(yù)勵磁實驗

    預(yù)勵磁功能的實驗波形如圖9所示。

    實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相同，通過直流預(yù)勵磁預(yù)先為電機(jī)建立磁場，可以有效提高電機(jī)啟動瞬間的輸出轉(zhuǎn)矩，加快電機(jī)啟動速度。

7.2Imax控制實驗

    實驗時電機(jī)空載，加速時間2s。圖10（a）為沒有Imax功能時的定子電流波形，可以看出，電機(jī)啟動初始的0.5s時間內(nèi)，電流模值比較大，最大為0.75左右。圖10（b）為能使電流抑制功能后的定子電流波形，Imax_Set給定為0.45，可以看出，電流被有效限制在0.45及其以下的區(qū)域內(nèi)。

    實驗波形可以看出，Imax抑制功能可以有效控制電機(jī)加速電流在要求的模值范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)過流跳閘。

7.3諧振抑制實驗

    實驗發(fā)現(xiàn)，實驗用電機(jī)在頻段10Hz~33Hz左右的范圍內(nèi)發(fā)生振蕩，因此設(shè)置諧振抑制起始頻率為5Hz，諧振抑制終止頻率為40Hz，使其包含發(fā)生振蕩的頻段。此外，通過調(diào)節(jié)諧振抑制功能中的濾波時間常數(shù)和比例控制系數(shù)，使振蕩得到有效的抑制。圖11（a）和（b）分別給出了電機(jī)在轉(zhuǎn)速500rpm時的抑制前和抑制后的三相電流波形。從圖中可以看出，加入諧振抑制功能后，電流振蕩得到有效抑制，三相電流對稱且正弦。

8結(jié)論

    本文在傳統(tǒng)VF控制方法的基礎(chǔ)上研究了預(yù)勵磁、定子電流抑制、諧振抑制等功能的實現(xiàn)，用以優(yōu)化VF控制的控制性能。

    在電機(jī)啟動之前通過直流預(yù)勵磁，可以有效增大電機(jī)啟動瞬間的輸出轉(zhuǎn)矩，加快電機(jī)啟動速度。

    通過對三相定子電流進(jìn)行采集，并對其模值進(jìn)行監(jiān)控，利用分別作用于輸出頻率和輸出電壓的兩個調(diào)節(jié)器，在電流模值超過允許值時可以通過降低頻率或電壓達(dá)到將定子電流限制在允許范圍內(nèi)的目的，防止過流故障的發(fā)生。

    通過對三相定子電流進(jìn)行矢量分解，得到其有功電流分量，并提取其波動分量，使其作用于輸出頻率，可以有效抑制電機(jī)在某特定頻段內(nèi)的振蕩現(xiàn)象。

    本文對以上控制算法進(jìn)行了仿真研究和實驗驗證，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果有效驗證了算法的準(zhǔn)確性和可行性。