高壓變頻器矢量控制策略研究

程志遠(yuǎn)

摘 要：高壓變頻器控制策略分為標(biāo)量控制技術(shù)及矢量控制技術(shù)。標(biāo)量控制策略簡單易行，通過控制電動機(jī)壓頻比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速，是目前風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中最為廣泛應(yīng)用的調(diào)速技術(shù)。而矢量控制策略一般應(yīng)用于要求較高的高壓變頻產(chǎn)品中，它可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)更高的控制性能。相信隨著高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，控制技術(shù)以及用戶要求的不斷提高，矢量控制將會逐步替代標(biāo)量控制，成為高壓變頻器的主流控制策略。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；矢量控制；策略；研究

1 概述

高壓變頻器在采用矢量控制的過程中，不僅要求在調(diào)速控制策略中與直流電動機(jī)相匹配，還要求控制異步電動機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在矢量控制方案中，最為關(guān)鍵的是要準(zhǔn)確獲取異步電動機(jī)的端電壓、端電流以及電動機(jī)轉(zhuǎn)速等一些關(guān)鍵參數(shù)，如果這些關(guān)鍵參數(shù)無法通過傳感器準(zhǔn)確獲取，則難以達(dá)到理想的控制效果，即會出現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，無法滿足所提出靜態(tài)和動態(tài)方面的要求，這是矢量控制的缺點(diǎn)，但目前采用矢量控制的高壓變頻器，已經(jīng)具備對異步電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)的自動檢測、在線辨識以及自適應(yīng)控制參數(shù)調(diào)整等功能，帶有這種電機(jī)在線參數(shù)辨識功能的高壓變頻器，可以在驅(qū)動異步電動機(jī)進(jìn)行正常變頻調(diào)速之前，有針對性地對異步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行在線辨識，并調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)調(diào)速過程提供強(qiáng)有力的矢量控制，進(jìn)一步提高異步電動機(jī)調(diào)速性能。

2 基本原理

矢量控制的基本原理是首先通過電機(jī)的等效電路來得出電動機(jī)的磁鏈方程，具體包括定轉(zhuǎn)子磁鏈，氣隙磁鏈，其中氣隙磁鏈?zhǔn)桥c定子和轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的。一般的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流較難測量，所以需要通過氣隙把轉(zhuǎn)子電流變換成定子電流，然后通過一系列坐標(biāo)變換，即首先需通過3/2變換，變成靜止的dq坐標(biāo)系，然后通過前面的磁鏈方程而產(chǎn)生的單位矢量，從而得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的類似于直流機(jī)的磁場電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，這樣即可達(dá)到解耦的目的，該控制算法加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最后再經(jīng)過2/3坐標(biāo)變換，最終產(chǎn)生三相交流電去驅(qū)動電動機(jī)，可實(shí)現(xiàn)良好的異步電動機(jī)調(diào)速性能。

矢量控制變頻調(diào)速的具體做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic通過3/2變換及轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步M-T坐標(biāo)系下的直流電流Im1及It1，其中Im1與It1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流及與轉(zhuǎn)矩成正比的電機(jī)電樞電流，這樣便可模仿直流電動機(jī)控制策略，在控制算法中求得直流電動機(jī)的控制量后進(jìn)行坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。

目前使用矢量控制的高壓變頻器，目前普遍采用M-T坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系是定向于轉(zhuǎn)子磁鏈并與之同速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，M軸（磁通軸）即為電動機(jī)中d軸沿轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶喀?方向，而T軸則是電動機(jī)的q軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°垂直于Ψ2方向。

在M-T坐標(biāo)系下，異步電動機(jī)電流可被解耦為磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流兩部分，兩者分別決定了異步電動機(jī)的磁通及輸出轉(zhuǎn)矩，可見在這個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，交流異步電動機(jī)模型可以轉(zhuǎn)化為相近似的直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型。

3 控制方案

通過上述矢量控制基本原理理論分析可知，需要四個(gè)理論知識支持來實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的矢量控制，，即等效電路、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、坐標(biāo)變換（包括靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換）。然而在實(shí)際進(jìn)行矢量控制過程中，轉(zhuǎn)子磁鏈值難以準(zhǔn)確觀測，而且在將異步交流電動機(jī)模型等效成直流電動機(jī)模型控制過程中，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換控制算法復(fù)雜，因而使得矢量控制算法難以達(dá)到理想的控制效果。為了解決上述問題，文章采用轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制策略。

圖1為采用了轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖，圖中標(biāo)*的量為給定量，其余為實(shí)際測量值。速度環(huán)經(jīng)調(diào)節(jié)器后獲得q軸電流is的給定值isq*，同時(shí)磁鏈環(huán)經(jīng)調(diào)節(jié)器獲得d軸電流is的給定值isd*，通過反饋獲得的角速度及磁鏈觀測器可得到轉(zhuǎn)角θ，利用isq*、isd*及θ進(jìn)行坐標(biāo)變換，即dq-abc變換，在結(jié)合電動機(jī)測量得到的iabc，饋入PWM脈沖發(fā)生器，最終產(chǎn)生逆變器驅(qū)動信號，從而驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。該矢量控制方法是通過轉(zhuǎn)子磁通定向的坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的，這種控制方法有如下特點(diǎn)：

（1）電動機(jī)模型中電壓指令的給定保證了轉(zhuǎn)矩方向和磁場的設(shè)定值輸出。

（2）磁通閉環(huán)、間接磁場定向、轉(zhuǎn)速閉環(huán)使得控制系統(tǒng)清晰、簡潔，更易于工程實(shí)現(xiàn)。

（3）在轉(zhuǎn)速控制環(huán)中，電動機(jī)電流的動態(tài)調(diào)節(jié)過程與電機(jī)端電壓的靜態(tài)模型采用分離的方式，解決了電動機(jī)參數(shù)變化對電動機(jī)工作過程中電流動態(tài)調(diào)節(jié)的閉環(huán)影響，提高了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。

實(shí)踐表明，該控制方案實(shí)現(xiàn)起來較為方便，但其控制效果取決于對異步電動機(jī)系統(tǒng)在線參數(shù)辨識的精確性以及對異步電動機(jī)參數(shù)的溫度補(bǔ)償精確性，同時(shí)由于引入了磁通閉環(huán)的設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致系統(tǒng)控制存在一定的局限性，但總體的來說，該方案趨于成熟且易于實(shí)現(xiàn)，如果傳感器及控制器的精度較高，同樣可以達(dá)到較理想的控制效果。

4 結(jié)束語

文章詳細(xì)研究了高壓變頻調(diào)速矢量控制策略，其基本原理是基于電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的矢量控制技術(shù)，文章通過矢量控制基本原理描述及控制方案的實(shí)施，完整分析了這種控制策略，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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