转速开环控制的感应电机变频调速系统性能优化研究

摘要

随着电力电子技术的不断发展，交流调速技术的应用越来越广泛。尤其是基于V/F控制的感应电机变频调速系统，在对动态性能要求不高的场合(例如风机、水泵等负载)得到了非常广泛的应用。但是其低速性能还存在诸多不足，主要表现在起动性能较差，低频带载能力不强，以及空载和轻载情况下系统易出现不稳定等问题。本文就以上关键问题进行了深入研究，完成的研究内容如下。
　　 为了消除死区效应对输出电流和电压的影响，提出了一种基于脉冲宽度的死区补偿方法。该方法通过基于定子电压矢量定向的旋转坐标变换，得到的定子电流的有功分量isd和无功分量isq，低通滤波后再反旋转变换到ABC坐标系下，从而进行电流的极性判断。最后根据ABC三相电流极性判断出需补偿的电压空间矢量，从而更改相应DSP比较寄存器的值。实验结果表明，所提方法明显改善了低频时的电流波形。
　　 为了提高系统的起动性能和低频带载能力，采用了一种基于定子电流解耦的低频电压补偿方案。该方法根据坐标变换所得到的转矩电流求得电压补偿量，对定子电阻压降进行补偿。实验结果表明，低频时的起动性能和带载能力明显提高。
　　 为了提高系统的稳定性，本文对感应电机V/F控制系统振荡的原因进行了分析，采用了一种基于定子电流解耦的振荡抑制方案。通过理论分析和实验数据，得出保持无功电流恒定就能有效抑制电机振荡的结论，实验结果表明，该方法有效抑制了被试电机的振荡。
　　 为了实现额定频率以上的弱磁调速，本文详细分析了感应电机弱磁调速的基本原理。额定频率以上感应电机由恒转矩区进入恒功率区，考虑到超过额定频率之后系统不能继续按照V/F控制方式运行，且随着运行频率升高，载波比N减小，变频器三相输出电压的对称性变差，不适合异步调制，因此采用了六脉波控制方式进行弱磁调速。
　　 本文大多数研究内容的实验在100kW变频器上完成，部分实验同时在实验室2.2kW变频调速实验平台上完成。实验结果表明，V/F控制的感应电机变频调速系统的低速性能得到很大改善。
　　 此外为了方便监测、控制系统的运行状态，本文设计了键盘和液晶显示的人机交互系统。实现了电机起动、停车、调速、载波频率、转速上升时间、转速下降时间、正转、反转、系统复位等一系列电机运行状态和参数的实时更改；并实时显示目前系统的运行状态，包括运行频率、采样周期、加(减)速时间以及故障时的错误信号等，很大程度上方便了系统的调试和运行。