基于定子電壓矢量定向的轉(zhuǎn)矩提升方法研究

于泳，熊文凱，陳偉，徐殿國(guó)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，哈爾濱150001）

摘要：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電阻壓降導(dǎo)致V/F控制系統(tǒng)低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重影響了V/F控制系統(tǒng)的低速性能。在分析現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩提升方案的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的轉(zhuǎn)矩提升方法。通過基于定子電壓矢量定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，可以實(shí)現(xiàn)定子電流的解耦，從而方便地得到定子電阻壓降補(bǔ)償量。該方法只需知道定子電阻值，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用補(bǔ)償方案后，電機(jī)起動(dòng)性能良好，電機(jī)能在1 Hz滿載平穩(wěn)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)矩提升方案的有效性。

關(guān)鍵詞：恒壓頻比控制；轉(zhuǎn)矩提升；定子電壓矢量定向；定子電流解耦

中圖分類號(hào)：TM301. 2    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    文章編號(hào)：1001-6848（2010）01-0026-03

     

0 引  言

  采用V/F (恒壓頻比)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)無(wú)需依賴電機(jī)參數(shù)，具有簡(jiǎn)單、可靠以

及低成本等優(yōu)點(diǎn)，在交流調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，由于定子電阻壓降的影響，傳統(tǒng)的V/F控制系統(tǒng)低速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩下降，造成帶載起動(dòng)困難，低頻帶載能力差（3 Hz以下無(wú)法滿載運(yùn)行）等問題，必須加以改進(jìn)^[1-5]。

    已有眾多學(xué)者對(duì)定子電阻壓降進(jìn)行了深入研究，并提出了多種補(bǔ)償方案。比較侍統(tǒng)的補(bǔ)償方法是手動(dòng)補(bǔ)償法，即人為地設(shè)定一個(gè)補(bǔ)償量，該方法偶然性比較大，容易導(dǎo)致過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償^[2]。現(xiàn)在采用的方法大多是自動(dòng)補(bǔ)償方法，按照其補(bǔ)償方式的不同，大致可分為兩類：矢量補(bǔ)償方法和標(biāo)量補(bǔ)償方法^[3]。

   矢量補(bǔ)償是按照電機(jī)輸入電壓和電流之間的三角關(guān)系來計(jì)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^[2-5]。該方法雖然準(zhǔn)確，但是定子電壓矢量和電流矢量之間的夾角不易獲取，且計(jì)算復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。

   標(biāo)量補(bǔ)償只修正定子電壓矢量的幅值^[6-7]，即直接在定子反電動(dòng)勢(shì)的給定值的基礎(chǔ)上添加一個(gè)補(bǔ)償量。該方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但工程實(shí)踐表明：該方法容易導(dǎo)致氣隙磁通飽和，造成過補(bǔ)償。

為解決上述問題，本文提出了一種基于定子電壓矢量定向的轉(zhuǎn)矩提升方法。通過定子電壓矢量定向，實(shí)現(xiàn)有功電流和無(wú)功電流的解耦，能夠方便地得到定子電阻壓降補(bǔ)償量；同時(shí)通過對(duì)無(wú)功電流的控制，使其保持恒定，可以進(jìn)一步確保低速時(shí)電機(jī)磁鏈的恒定。最后，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

    由文獻(xiàn)[4]的分析可知，定子電阻壓降補(bǔ)償是在保持定子磁鏈大小恒定（等于其額定值）的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由圖1所示的感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和電機(jī)學(xué)的基本原理可知，三檀異步電動(dòng)機(jī)定子每極磁通可由下式表達(dá)^[8]

式中，工為感應(yīng)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行頻率；E_為定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；對(duì)于確定的電機(jī)而言，k為常數(shù)。

    由式(1)可知，只要控制好E_m和f₁的量，就可以達(dá)到控制磁通φ_m。的目的。但是在感應(yīng)電機(jī)中反電勢(shì)E_m的值無(wú)法直接獲取，只能通過相電壓V_s來檢測(cè)和控制。而由圖1所示向量關(guān)系圖可知

 

    設(shè)K_s0為E_m在額定頻率f_o時(shí)的值，則任意頻率f₁時(shí)，為保持氣隙磁通恒定，所需要的反電勢(shì)值為：

    由式(4)可知，在高頻段，感應(yīng)電勢(shì)E_m。比較大，定子阻抗壓降I_sR_s。相對(duì)很小，可以忽略不計(jì)，V_s和E_m近似相等，可以用V_s/f<