新型感应电机VF控制系统稳定性方法

改善感应电机Ｖ／Ｆ控制系统稳定性的方法。根据感应电机的数学模型，研究了系统振荡与无功电
流波动之间的关系。并基于定予电压定向对电流进行分解，通过控制无功电流恒定调节输出电压
来抑制电机振荡，提高系统的稳定性。实验结果表明：该方法不依赖电机参数，鲁棒性高，使系统在
０—５０ Ｈｚ内都能平稳运行，电机的振荡得到了抑制，有效地提高了系统的稳定性。
子磁链砂。与ｉ。的关系
炉咿ｓ ２篙百虿篙丽｝“厶ｓ叫‘叫。。
（Ｌ４４））
由于Ｌ；∞：艿《尺；，式（４）可简化成
砂。一￡。ｉ。。。
（５）
由此可知，系统不稳定时电机磁链必然产生振
荡。根据电机转矩瓦和定子磁链妒。的关系¨ｕ
瓦＝脚：∞。。
（６）
此时电机的输出转矩必然也存在振荡。
转矩的波动将引起电机和负载产生受迫振荡。
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％＝瓣，≥巩 亿亿。＝善旁，， 每旁＜＜‰‰；；
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图５采用本方法后８Ｈｚ时实验波形
其中，Ｋ，丘分别为电机的额定电压与频率。
Ｆｉｇ．５
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ８ Ｈｚ
不稳定。电流出现振荡现象，如图４所示。此时无功 电流存在明显的振荡分量。当采用Ｐｌ调节器保持 无功电流恒定后，系统的振荡现象消除了，如图５所 示，此时的定子电流和无功电流都稳定了。图６为
的旋转矢量角０。＝Ｊ２而ｄｔ，同时根据定子电压矢
—ＡＩ墨、《乜ｈ一、ｏ
量与ｄ轴之间的夹角０。可得到电压矢量角
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第１３卷增刊１ ２００９年１１月
电 机 与控 制学 报
ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖ０１．１３ Ｓｕｐｐｌ．１ Ｎｏｖ．２００９
新型感应电机Ｖ／Ｆ控制系统稳定性方法
陈伟， 杨荣峰， 于泳， 徐壮， 徐殿国
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：针对感应电机ｖ／Ｆ控制系统在空载或轻载时存在一个持续振荡的稳定性问题，提出一种
’
（ａ）稳定时
（ｂ）振荡时
Ｆｉｇ．１
图１ 电机有功与无功电流波形 Ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ
在ｄ－ｑ旋转坐标轴系下，并将ｄ轴沿着定子电 压矢量ｃ，。的方向，异步电机数学模型可表示为
Ｒ１ ０
８
一蛾
比
０ ＲＩ
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ｓ
ｉ耐
Ａ。如半一乏ｃ饥训 ●
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｖ／Ｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｌｗａｙｓ ｅｘｐｅ—
ｒｉｅｎｃｅｄ ｉｎ ｌｉｇｈｔ ｌｏａｄ ｓｔａｔｅ，ａ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏ—
本文提出了一种提高系统稳定性的方法。通过 定子电压定向进行同步坐标变换，分解出电机的有 功和无功电流。通过ＰＩ调节器使无功电流保持恒 定来抑制电机振荡改善系统的稳定性。最后通过实 验对方法的可靠性和有效性进行了验证。
１ 开环ｖ／Ｆ控制系统稳定性方法原理
１．１系统稳定性分析 研究表明，ｖ／Ｆ控制系统中的振荡特性与电机
万方数据
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电机与控制学报
第１３卷
与很多因素有关。比如定子电阻、转子惯量、死区时 间、ＤＣ滤波电容、载波频率、系统共振频率等Ｈ“】。 为了提高Ｖ／Ｆ系统的稳定性，许多学者对此进行了 很多研究。文献［７］根据直流母线电流的波动调节 电机频率来提高系统的稳定性，而文献［８］根据检测 电机有功电流的波动来调节电机运行频率以抑制系 统振荡。文献［９］根据电机定子电流的波动调节定 子电压来改善系统的稳定性。文献［１０］在系统中加 入一个ＰＩ调节器通过检测定子电流的波动对定子电 压和频率进行补偿来抑制系统振荡。
２定子电压定向ｖ／ｆ控制算法实现
｝… ｛／＿ 一＇
原理框图如图３所示．无功电流ＰＩ控制器的输
一＾Ｉ｛《ｎ．￡）、ｏ
出ｋ作为ＳＶＰＷＭ的ｑ轴分量，而ＳＶＰＷＭ的ｄ轴
０ｏ一“．＿。．ｍ一‘ｉ卜．…ｖ卜７…鼍夕…－…………‘…
分量则根据ｖ／Ｆ比计算出，仍然满足电机的定子电
压与频率比为常数这个原则，计算公式为
ＣＨＥＮ Ｗｅｉ， ＹＡＮＧ Ｒｏｎｇ－ｆｅｎｇ， ＹＵ Ｙｏｎｇ，ＸＵ Ｚｈｕａｎｇ，ＸＵ Ｄｉａｎ—ｇｕｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｖｅｒｙ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ０ ｔｏ ５０ Ｈｚ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ
ａｎｄ ｔｈｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｂｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｓｔａｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｒｉｅｎｔｅｄ：ｖ／Ｆ ｃｏｎｔｒｏｌ
法进行了验证。实验所用感应电机额定参数为：
Ｐ。＝７．５ ｋＷ，Ｅ＝３８０ Ｖ。疋＝５０ Ｈｚ，ｌｅ＝１５．６ Ａ，化＝ ｌ ４４０ ｒ／ｒａｉｎ。电机参数为：Ｒ。＝０．７００ ６ Ｑ，Ｒ。＝
０．６０１ ２ Ｑ，Ｌ。＝１２２．１ｌ ｍＨ，Ｌ。＝Ｌ，＝１２５．７ ｍＨ。
ＰＷＭ开关频率为１０ ｋＨｚ，死区时间为６．４斗ｓ。 采用传统的Ｖ／Ｆ控制方法时，系统在８ Ｈｚ附近
空载情况下，通过定子电压定向，对电机电流进 行同步坐标变换，分锯出电机的有功电流和无功电 流分量，如图１所示，实验所用电机参数如文中第３ 节所示。从图中可看出，系统稳定时，电机的无功和 有功电流分量都很稳定。而当系统不稳定时，电机 的无功电流出现明显的振荡成份。
ｔ／（１００ ｍｓ／ｄｉｖ）ｔ／（２００ ｍｓ／ｄｉｖ）
０
‘ｑ
０
砂“
０ 如Ａ乏（饥训半 由。
【１）
其中．小一（警＋半卜＝警ｃ旷训；
Ａ，＝一百Ｌ，Ｌ，８（Ｏ）ｅ－－Ｏ）ｒ）；Ａ。一（Ｒ２＝＿Ｌ８＋Ｌｋ６Ｌｒ８ｓ／１。
－ｍ
一
山ｍ
在稳态情况下，由式（１）中的第２行可得
砂列＝一孝Ｒｉ岬。
（２）
由此可知，当频率较大时定子磁链在ｄ轴上的分量
沙耐很小，如图２所示，定子磁链主要在ｑ轴上，即
０＝Ｊ２，ｒｒｆ，ｄｔ＋ａｒｃｔａｎ笋。
（８）
因此，根据电压矢量角０通过坐标变换即可得 电机的有功和无功电流
廿Ｋ：咖ｓｉｎ０川］‰ｔ，“】ｏ ㈩
其中：如为有功电流；ｉ。为无功电流。
ｏ一一、Ｊ：～
ｔ／１００ ｍｓ／ｄｉｖ）
图４采用传统、，／Ｆ算法系统振荡时（８ Ｈｚ）的实验波形
Ｆｉｇ．４
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ８ ｌ－ｌｚ
‰＝ｆ ｋ，＋詈）（ｉ二－ｉｑ）。
（７）
其中，ｉ二为无功电流给定，其值由空载时的电流决 定，一般取为电机额定电流的三分之一。
将定子电压矢量定向在旋转坐标系的ｄ轴上， 通过坐标变换可以很方便的获得电机的有功、无功 电流。由于Ｖ／ｆ控制算法中，定子电压矢量的同步 旋转频率Ｚ是给定的。通过积分可得同步坐标系
在空、轻载等阻尼较轻的情况下，将激发电机产生持
续振荡，引起系统的共振¨２－１３Ｊ。
１．２稳定性方法 对系统不稳定性进行分析主要是为了抑制系统
振荡，提高系统的稳定性。根据前面的分析，如果在
万方数据
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新型感应电机Ｖ／Ｆ控制系统稳定性方法
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系统振荡时，控制电机无功电流使其保持恒定，则能 抑制电机转矩的波动，从而使得系统的振荡得到抑 制。在本系统中通过ＰＩ调节器对无功电流进行闭 环控制，使其保持恒定，即
ｔｏｒ，ａ ｄｅｅｐｌｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｃ— ｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔａｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｆｒａｍｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎｄｅｎｐｅｎｔ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
图６采用抑制振荡方法前后电流波形 Ｆｉｇ．６ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ａｄｏｐｔｉｎｇ
０引 言
近年来，通用变频器作为节约能源的关键设备 取得了长足的发展，在风机、泵类驱动上应用十分广 泛。这类变频器主要采用ＰＷＭ调制和开环Ｖ／Ｆ控 制，其控制算法简单且不依赖于电机参数。然而，感
应电机、，／Ｆ开环控制系统中存在同有的不稳定性， 在某些运行频段易出现电流的持续振荡，严重时甚 至会引起变频器过流保护或烧毁功率模块。在空、 轻载运行情况下，这一问题尤为突出¨。Ｊ，限制了此 类开环控制系统的运行调速范围。
ｖ／Ｆ控制系统的不稳定是一个非常复杂的问题，
收稿日期：２００８一Ｏｌ—１６ 基金项目：国家自然科学基金（５０ｒ７７７０１３） 作者简介：陈伟（１９８３一），男，博士研究生，主要研究方向为交流传动无速度传感器控制低速性能研究；
杨荣峰（１９７９一），男。博士，讲师，主要研究方向为数字信号处理及交流调速技术； 于泳（１９７４一），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电力电子与电力传动技术； 徐壮（１９７２一），男。副教授，硕士生导师，主要研究方向为电力电子与电力传动技术； 徐殿国（１９６０一），男，教授。博士生导师，主要研究方向为电力电子技术，照明电子技术。电机及控制技术．智能控制技术。
图３新型电压定向Ｖ／ｆ控制原理 Ｆｉｇ．３ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｓｔａｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ
ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｖ／ｆ ｃｏｎｔｒｏｌ
３实验结果与分析
通过７．５ ｋＷ的实验平台对提出的振荡抑制方
万方数据
一＾Ｉ＿ｖｖ
ｎ．￡、ｏ
＾ Ｉ ，，ｖ
ｏ＿ｌ一、Ⅵｏ ｔ／２００ ｍｓ／ｄｉｖ）
定子电阻、漏抗的大小有关，并与逆变回路的死区时 间设置存在密切的关系。常规的电压源型ＰＷＭ调 制Ｖ／Ｆ控制系统中，死区时间内同一相中的上下桥 臂均处于关断状态，负载侧能量向主回路电容侧回 馈，因此稳定运行时仍然存在有功及无功能量的波 动。这一波动导致转矩波动及电机转速波动，在空、 轻载等阻尼较轻的情况下，激发电机转子持续振荡， 变频器输出电流大幅振荡，继而引起系统保护。
砂。一沙。。
（３）
５：ｓｌｉｐ 月ｌ：ｐｒｉｍａｒｙ ｒｅｓｉｓｔａｎｃ癣 Ｒ．，Ｉｉ：ｐｒｉｍａｒｙ ｌｅ％ｔｋａｇｅ ｉｎｆｌｕ。ｔａｎｃ８
了１２：ｓｍ，ｏｎｄａｒｙｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｚｍ：ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ
ｒ２：ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｒ％ｉｓｔａｎｅｅ
关键词：振荡抑制；wk.baidu.com功电流；定子电压定向；Ｖ／Ｆ控制
中图分类号：ＴＭ９２１．５１
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７—４４９Ｘ（２００９）增１—００１ｌ—０４
Ｎｏｖｅｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ、，飞ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍｓ
王，ｌ－ｌｍ＋“ ￡ＦＺ。＋ｆ２ Ｒ２’＝（Ｚ。儿２）‰ ￡。’＝ＺＩ＋（ｆ。，￡：）厶 ￡。７＝瑶圮：
图２． 感应电机非对称Ｔ型等效电路及相量图 Ｆｉｇ．２ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｔ－１ ｔｙｐｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｐｈａ－
ｓｏｒ ｄｉａｇｒａｍ
根据式（３）和式（１）中的第３、４行，可推导出定