高性能V／f控制在中壓變頻器中的實現

引言
控制調速系統是中壓變頻器裝置的核心。轉速開環的恒壓頻比(V/f控制是最簡單的控制方式，適用于無高動態性能要求的一般交流調速場合，例如風機、水泵等。
目前已成熟應用的通用變頻器有矢量控制和直接轉矩控制，但仍還保留V/f控制。在V/f控制下，變頻器具有轉矩控制，無“跳閘”，機械特性硬度提高，挖土機特性等。將V/f控制思想引入單位串聯中壓變頻器，可使中壓變頻器性能較高。

2 控制原理
基于轉子磁鏈恒定的控制方式(即恒E/f1控制)采用磁通補償器、轉差補償器和電流限制控制器，實現轉矩控制功能。這充分體現出高性能V/f控制的基本思想。但要實現轉子磁鏈恒定控制比較困難，因此實現恒Eg/f1控制，同時輔以電流限制控制，實現挖土機特性，防止出現“跳閘”；轉差補償控制提高機械特性的硬度，實現在速度開環控制下轉速誤差最小：IR降補償保持氣隙磁通始終恒定，從而實現無“跳閘”的高性能V/f控制，其原理框圖如圖1所示。

3 定子電阻(IR降)補償
恒壓頻比控制的出發點是保持氣隙磁通φm不變，充分利用電機鐵心，發揮電機產生轉矩的能力。根據電機學原理，在基頻以下調速時，為保持氣隙磁通φm不變，只要控制Eg/f1為恒值即可，但Eg不能直接控制，一般用定子電壓U1替代Eg形成V/f控制。頻率高時，由于定子上所施電壓高，可忽略定子電阻壓降；但在低頻時，由于定子電阻的影響不可忽略，恒壓頻比控制不能有效保持磁通不變，調速系統的輸出最大轉矩將降至很小，限制了系統帶載能力，甚至不能帶載。這時可采用定子壓降補償(IR補償)，適當提高定子電壓，增強帶載能力。
定子電阻補償基于保持定子磁通幅度不變，由于定子漏電感L只占定子全電感的2％～5％，所以工程應用中可忽略定子漏電感，即L=0，這樣近似認為定子磁通等于氣隙磁通。在此基礎上，采用矢量補償IR降方法。圖2為異步電機穩態等效電路。

根據圖2異步電機穩態等效電路的相量圖可得：

定義額定頻率frated下Eg的幅值是Urated，這樣當輸出頻率為f時要求Eg的幅值為Urated(f/frated)，將該值代入式(1)，得：

式中，定子電阻R1，I，cosφ和I1,sinφ是未知量，只要計算出這些量，就可按矢量方式計算U1。
從圖2看出，由于補償定子電阻壓降需要提高電壓，而提高電壓將進一步增大定子電阻壓降，這就形成一個正反饋，為保證系統的穩定性，可將式(2)所計算的U1分為兩部分，一部分為基本的V/f分量，另一部分為補償定子電阻壓降分量。后者經一階慣性環節(抑制這部分的變化速度)后再與基本的V/f分量相加，從而得到電壓輸出U1。所有計算均采用按額定值標么化后的標么值計算，這樣大大減少計算量。

4 轉差補償
異步電機產生電磁轉矩，必需一定的轉差s，在電機轉速較高的情況下，比如額定轉速，s約3％，其影響可忽略。在變頻器變頻運行時，為產生同樣的電磁轉矩，s反比于同步頻率，隨著同步頻率的下降，s越來越大；當同步頻率低到一定程度時電機可能會停止轉動，也就是轉差s在低速時嚴重影響電機調速的精度。
由電機學原理可知，異步電機的機械特性在電磁轉矩(TL)小于最大轉矩(Tm)時，不同同步轉速下的機械特性近似為一組平行線，也就是說為產生同樣的電磁轉矩，在不同同步頻率下其速度降落基本相同，這就是轉差補償的出發點。當同步頻率為f0時，為輸出T0的轉矩，速度降落為△f，為了保證電機轉速f0,就要將同步頻率提高到f0+△f。
轉差補償目的是要提高電機機械特性的硬度，準確進行轉差補償，這需要知道轉差和電磁轉矩之間的函數關系。在恒Er/f1控制方式下，電機機械特性是直線，因此轉差與電磁轉矩成線性關系，即在保持轉子磁通幅值不變的條件下，電磁轉矩與轉差頻率成正比。在恒U1/f1控制和恒Eg/f1控制下，電磁轉矩與轉差頻率成非線性關系，但是在電磁轉矩(TL)比最大轉矩(Tm)小得多時，電磁轉矩與轉差頻率成近似線性關系，只是恒Eg/f1控制的近似線性段更長，而且由于恒Eg/f1控制在各同步頻率下的最大轉矩(Tm)不變，因此，這種近似關系也不會隨同步頻率變化而變化。因此，在補償定子電阻降落(IR降)，保持Eg/f1恒定的情況下，通常采用與恒Er/f1控制方式下相同的線性補償方法。