转速闭环转差频率控制的变频调速系统优化方案

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【摘要】：图3.24所示的转速闭环转差频率控制的变频调速系统采用了交-直-交电压型电流跟踪逆变器，既是电压型逆变器又能对电流进行控制，综合了两种方式的优点。

1.转速闭环转差频率控制变频调速系统的组成

转速闭环变频调速系统可根据转差频率控制异步电动机定子电流，因此变频器最好采用电流型逆变器。三相电流型逆变器直流环节用大电感滤波，一般采用120°方波控制，每瞬时逆变器上桥臂和下桥臂都只有一个开关器件导通，在换流时不会产生大的di/dt。若采用180°导通方式，每瞬时逆变器有三个开关器件导通（上桥臂一个下桥臂两个或上桥臂两个下桥臂一个），则在换流时不是上桥臂两个开关器件电流变为从一个开关器件通过，就是下桥臂两个开关器件电流变为从一个开关器件通过，这将产生很大的di/dt和过电压。若电流型逆变器采用SPWM调制，则SPWM是在180°范围内的脉冲宽度控制，会产生换流di/dt和过电压，影响逆变器的安全运行。120°型电流型逆变器输出电流是6阶梯波，低次谐波较大，容易产生转矩波动，而PWM调制的谐波较小，一般没有5次、7次等低次谐波，转矩比较平稳。电流型逆变器的滤波电抗器笨重、体积大，一般不受用户欢迎，电压型逆变器用电容滤波，体积小、重量轻，采用PWM控制，谐波较小用户较为欢迎，但是电压型逆变器PWM控制的是输出电压，对电流的控制是间接的。图3.24所示的转速闭环转差频率控制的变频调速系统采用了交-直-交电压型电流跟踪逆变器，既是电压型逆变器又能对电流进行控制，综合了两种方式的优点。系统的控制部分由转速调节器、函数发生器、三相电流函数计算、滞环控制器等环节组成。

图3.24 转速闭环转差频率控制的变频调速系统

（1）交-直-交电压型电流跟踪逆变器电流跟踪逆变器的主电路为电压型逆变器，其一相控制原理如图3.25a所示。逆变器根据给定电流i_A^∗与实测电流i_A的偏差Δi（Δi=i_A^∗-i_A），经滞环控制器H₁产生逆变器驱动信号。滞环控制器H₁设定了电流偏差控制值ΔI，当电流偏差Δi小于设定的偏差控制值（Δi<-ΔI）时（图3.25b所示的t₁时刻），滞环控制器H₁输出脉冲使VT₁导通，A相得电，电流i_A上升。到t₂时，A相电流偏差Δi将大于ΔI，H₁产生驱动脉冲使VT₂导通，A相电机电感将经VT₂续流，i_A下降。如此进行，VT₁和VT₂交替导通，可将i_A控制在给定的偏差2ΔI范围内。如果给定i_A^∗为正弦波，A相电流i_A将随i_A^∗作正弦变化，逆变器输出电流的频率和大小都随给定信号变化，故称为电流跟踪逆变器。虽然电流跟踪逆变器采用的是电压型逆变器，但其输出电流是可控的。电流跟踪逆变器以PWM方式工作，电流变化限制在滞环宽度（2ΔI）范围内，滞环宽度越小，PWM脉冲频率越高，电流谐波越小，不过在逆变器开关频率提高的同时，开关损耗加大，会限制电流控制的准确度。另外，电流跟踪逆变器PWM脉冲频率不固定，正弦电流波顶和过零点附近的脉冲频率有较大变化，使滤波器不易设计，这也是电流跟踪逆变器的不足。

图3.25 电流跟踪逆变器一相工作原理

（2）函数发生器函数发生器用于按式（3.41）计算或图3.23所示的函数曲线查表决定定子电流I_s。I_s在随ω_s^∗变化的同时保持了定子电流中的励磁分量不变，使Φ_m不变，电动机有恒E_g/ω₁控制的特性，这较转速开环的恒U_s/ω₁控制性能为好。恒E_g/ω₁控制时，电动机在变频调速中最大转矩不变，电动机负载只要不超过最大转矩的限制就可以有较宽的调速范围，在负载变动时电动机的转速降变化也较小，转差功率损耗小。

2.转速闭环转差频率控制变频调速系统工作原理

系统给定为转子转速，以角频率ω∗表示。在起动时，转速偏差Δω很大，转速调节器（ASR）饱和，输出的转差频率信号ω_s^∗为最大值ω_sm，且ASR的输出限幅控制电动机，使其工作在T_e=f（ω_s）特性的近似线性部分，在线性部分，T_e∝ω_s。ω_s^∗信号一路经过函数发生器产生电流控制信号I_s^∗；另一路，ω_s^∗与转速反馈信号ω相加得到三相电流角频率ω₁^∗，I_s^∗和ω₁^∗经电流计算环节产生定子三相电流的给定值i_A^∗、i_B^∗、i_C^∗，即

三相电流给定与实测电流反馈比较后得到电流偏差信号Δi，然后经滞环控制器产生六路逆变器驱动脉冲，控制逆变器输出的三相定子电流按i_A^∗、i_B^∗、i_C^∗的波形变化。因为逆变器输出电流频率为ω₁^∗=ω_s^∗+ω，所以在电动机起动时，随转速ω上升，ω₁^∗也同步上升，电动机将平稳升速。在转速上升阶段，ASR饱和，输出转差频率信号为最大值ω_sm，使电动机保持最大转矩起动[见式（3.37）]。当转速超过给定转速ω^∗后，ASR退饱和，系统进入转速调节阶段，最后稳定在给定转速。如果扰动使转速产生波动，ASR也可以发挥调节作用使转速稳定。这些特点都与直流调速系统转速调节器的作用相同。

转差频率控制变频调速系统的特点如下：

1）以转差频率信号ω_s^∗控制异步电动机的电流和频率。

2）函数发生器（CF）根据ω_s^∗控制电动机定子电流，并且保持了气隙磁通不变的控制。

3）逆变器输出频率为ω₁^∗=ω_s^∗+ω，使定子电流频率ω₁随转速ω同步升降，可以实现平滑调速，加、减速变化平滑稳定。

4）在ASR饱和时，ASR输出为限幅值ω^∗_s_m，电动机有最大转矩T_em，保证了系统响应的快速性。

转差频率控制的不足是：定子电流与转差关系I_s=f（ω_s）是依据稳态模型方程推导的，仅在系统稳态时保持气隙磁通不变，尚未能反映电动机电感和电枢惯性对系统动态控制的滞缓作用，因此该系统在电动机稳态时有良好的调速性能，但不能保证在动态调节中对气隙磁通的控制。

转速闭环转差频率控制的变频调速系统优化方案

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