异步电机高转矩矢量控制的变频变压调速方法

摘要

一种异步电机变频变压矢量控制调速方法,其电机电压能自动跟随定子电流在定子电阻上矢量压降大小及方向的变化进行实时调整,以使定子磁链保持在预期值上,从而具有高转矩矢量控制性能。既能构成有转差自动补偿的无转速传感器的高转矩调速系统;又能构成含有转矩或电流内闭环的高性能高转矩调速系统;此外为了满足车辆驱动、电铲、提升机等类负载的需求,还能构成含有转矩或电流闭环的由转矩或电流直接控制的零速高起动转矩调速系统。

说明书

本发明涉及一种电机的调速方法，特别是一种三相异步电机变频变压调速方法。

在现有的异步电机脉宽调制变频变压调速方法中，其电机电压与定子角频率的关系曲线往往用一个折线段来表示，而未实时计入定子电流在定子电阻上矢量压降大小及方向的变化所带来的重要影响，其结果导致定子磁链上下波动而不能保持在预期值上，定子磁场欠励或过励引起的磁饱和电流都会导致电机转矩下降，当电机处于起动阶段或低速阶段时这一问题尤为严重。例如有的变频变压调速器，即使电流过载到了150％，但起动转矩要达到100％仍十分困难。采用加大变频器电流容量的办法来提高转矩是不可取的，因为这会导致产品成本大幅度上升和运行效率低下，其结果是造成资源和能源的浪费。

本发明的目的是：提供一种异步电机的变频变压调速方法，其电机电压除与定子角频率有关外，还自动跟随定子电流在定子电阻上矢量压降大小及方向的变化进行实时调整，以使定子磁链保持在预期值上，从而具有高转矩矢量控制性能。

本发明的技术方案按层次分述如下：

定子的电压V1等于第一观测变量Z1的平方根值再加上定子的电流I1的横轴电流IQ与定子的电阻R1的乘積值，以式表之为 $>>V>1>=>>Z>1>>+>IQ>\times >R>1>$>；电压V1作为电压控制信号送往变频变压器；产生的定子角频率W1作为频率控制信号送往变频变压器。

电机转矩ME等于第二观测变量Y1值除以产生的定子角频率W1值。

转差角频率W2等于电机转矩WE与一常数KK的乘積值。

第一观测变量Z1等于第三观测变量Z2减去第四观测变量Z3后所得值。

第三观测变量Z2等于产生的定子角频率W1的平方值再乘以定子的磁链C1的平方值后的所得值；第四观测变量Z3等于直轴电流ID的平方值再乘以电阻R1的平方值后的所得值。

第二观测变量Y1等于第五观测变量Y2与1.5相乘后的乘積值；第五观测变量Y2等于从电压V1与横轴电流IQ相乘的乘積值中减去电流I1的平方值与电阻R1相乘的乘積值以后所得的差值。

产生的定子角频率W1等于转速角频率指令值WM0与转差角频率W2值之和。

产生的定子角频率W1等于转矩调节器20的输出W20值与转速角频率WM值之和；转矩调节器的输入为转矩指令值ME0与电机转矩ME值之差，而转矩指令值ME0来自转速调节器21的输出或由外输入直接控制，转速调节器的输入为转速角频率指令值WM0与转速角频率WM值之差。

产生的定子角频率W1等于电流调节器22的输出W21值与转速角频率WM值之和；电流调节器的输入为电流指令值IQ0与横轴电流IQ值之差，而电流指令值IQ0来自转速调节器23的输出或由外输入直接控制，转速调节器的输入为转速角频率指令值WM0与转速角频率WM值之差。

以上的电压V1、电流I1、磁链C1及电阻R1均为定子一相中的值(V1、I1及C1均为幅值)。

下面结合附图对本发明进一步作详细说明。

图1为电机的相矢量图。

图2为电机接线图。

图3为用户系统板图。

图4为源程序流程图。

图5为变频变压调速系统图。

在图1中，各个矢量均为相矢量，并设图中各个矢量反时针方向旋转，W1×C1为内矢量电势，I1×R1为定子的相电流在定子的相电阻上的矢量压降，I1、V1及C1分别为电流、电压及磁链的矢量。则可得： $>>V>1>=>>>(>W>1>\times >W>1>\times >C>1>\times >C>1>)>>->>(>ID>\times >ID>\times >R>1>\times >R>1>)>>>+>$>IQ×R1ME＝((V1×IQ－11×I1×R1)×1.5)/W1W2＝KK×ME

上式中KK为一常数，等于额定转差角频率与额定电机转矩之比。(图1中的ID、IQ分别为ID及IQ的矢量)

本发明采用计算机软件进行实施，为此进一步将上列诸式写成源程序式如下：I0＝ID×ID＋IQ×IQ，(F1). $>>I>1>=>>I>0>>,>(>F>2>)>.>$>Z2＝W1×W1×C1×C1，(F3).Z3＝ID×ID×R1×R1，(F4).Z1＝Z2－Z3，(F5). $>>V>1>=>>Z>1>>+>IQ>\times >R>1>,>(>F>6>)>.>$>Y2＝V1×IQ－I1×I1×R1，(F7).Y1＝Y2×1.5，(F8).ME＝Y1/W1，(F9).W2＝KK×ME，(F10).

在图2中：01为含有3相/2相变换器、座标变换器、电流传感器或同时兼有电压传感器在内的脉宽调制的变频变压器，其三相输出接有异步电机02，根据需要还可在电机轴上安装转速传感器03，转速传感器03的输出为转速角频率WM。变频变压器01具有产生的定子角频率W1与电压V1的输入信号以实现其功能；另其内含有的座标变换器向外输出直轴电流ID与横轴电流IQ信号。为了更详细说明，现作为一个实施例子，采用市面上供应的用户系统板U51-A1，如图3所示。在图3中的用户系统板04上，原装有INTEL8032单片计算机一个，存储器EPROM2764一个，并行接8255一个，D/A转换器DAC0832一个及A/D转换器为8通道8位ADC0809一个。今为了提高运算精度，用一个8通道12位及输入电压为正负5伏的A/D转换器MAX197去置换ADC0809；另外为了增多模拟输出口，还增设了二个D/A转换器DAC0832。A/D转换MAX197共用去了5个通道，分别为产生的定子角频率W1、磁链C1、控电阻R1、直轴电流ID与横轴电流IQ提供采样输入，图中电位计ST1及ST2分别供预设磁链C1及相电阻R1之用。三个D/A转换器DAC0832则分别用于电压V1、电机转矩ME及转差角频率W2的模拟输出之用。与此同时并行接口8255还可灵活作各种数字信号输入输出之用。

在图4中：源程序式(F1)-(F10)用何种形式书写以为编译系统接受则与所采用的单片计算机语言有关，如采用BASIC51高级语言，则只需将源程序式(F1)-(F10)中的“×”乘法标记换成“*”标记、将换成“SQR(I0)”及将换成“SQR(Z1)”即可，然后由BASIC51编译系统编译成单片计算机所需代码即目标程序。图4中所说采样是指分别通过A/D转换器MAX197进行，所说输出是指分别通过D/A转换器DAC0832进行。

源程序式(F1)-(F10)对其他类型单片计算机或信号处理器同样适用，只不过用何种形式书写以为编译系统接受则与所采用的单片计算机语言有关。

在图5中：01来自图2，而04来自图3，01输出的直轴电流ID与横轴电流IQ被送往04，0-4输出的电压V1被送往01。

在图5(A)中：转速角频率指令WM0值与来自04的转差角频率W2在加减器10处相加后即得产生的定子角频率W1并被分别送往01与04，如此图5(A)构成无转速传感器的矢量控制的变频变压调速系统。

在图5(B)中：转矩调节器20的输出W20值与转速角频率WM值在加减器11处相加后即得产生的定子角频率W1并被分别送往01与04；转矩指令ME0值在加减器12处减去电机转矩ME值后即得转矩调节器20的输入值；当开关SS置于“1”位置时，转矩指令值来自转速调节器21的输出；当开关SS置于“2”位置时，转矩指令值来自外输入的直接控制；转速角频率指令WM0值在加减器13处减去转速角频率WM值后即得转速调节器21的输入值；如此图5(B)构成有转矩闭环的矢量控制的变频变压调速系统。

在图5(C)中：电流调节器22的输出W21值与转速角频率WM值在加减器14处相加后即得产生的定子角频率W1并被分别送往01与04；电流指令IQ0值在加减器15处减去横轴电流IQ值后即得电流调节器22的输入值；当开关SS置于“1”位置时，电流指令IQ0值来自转速调节器23的输出；当开关SS置于“2”位置时，电流指令IQ0值来自外输入的直接控制；转速角频率指令WM0值在加减器16处减去转速角频率WM值后即得转速调节器23的输入值；如此图5(C)构成有电流闭环的矢量控制的变频变压调速系统。

图5中的加减器10-16、转矩调节器20、电流调节器22以及转速调节器21、23(调节器常采用比例、积分、微分原理)既可以用运算放大器硬件实现也可以用单片计算机软件实现，这些常用软硬件实例在现有的电机调速产品或专业书籍中到处可见，如用单片计算机软件实现，则构成全数字式调速系统。

以上的分析均是指电机的磁极对数等于1的情况，当电机的磁极对数P＞＞1时，则电机转矩将加大P倍，转速角频率WM将减小P倍，转差角频率则等于(W1－P×WM)。

与现有的技术比较，本发明的优点如下：一、电机电压自动跟随定子电流在定子电阻上矢量压降

大小及方向的变化进行实时调整，以使定子磁链保持

在预期值上，从而具有高转矩矢量控制性能。二、提供了一种转差自动补偿的无转速传感器的高转矩

矢量控制的变频变压调速系统。三、提供了一种含有转矩或电流内闭环的高性能高转矩

矢量控制的变频变压调速系统。四、提供了一种含有转矩或电流闭环并由转矩或电流直

接控制的零速高起动转矩矢量控制的变频变压调速系

统。以满足车辆驱动、电铲、提升机等类负载的需求。五、变频变压器接受的电压信号只有一个而不是通常矢

量控制需要二个电压信号，这就为变频变压器实施各

种脉宽调制如准优化、电压空间矢量等脉宽调制带来

很大方便。