摘要 ：本文在传统 VF 控制算法的基础上，提出了一种包括预励磁、定子电流抑制、谐振抑制等功能的 VF控制策略优化方案。通过预励磁，可以增大电机启动瞬间的转矩输出；通过电流抑制功能，可以限制电机启动过程的电流幅值，避免过流跳闸；谐振抑制功能可以消除电机在某些特定频段的振荡现象。仿真和实验都证明了以上算法的正确性和有效性。
1引言
变频器驱动控制一般分为VF开环控制、矢量控制以及直接转矩控制等。VF控制属于开环控制，控制算法简单，实现成本低，不依赖电机参数，系统鲁棒性高，但是转速控制精度不高，动态响应慢。矢量控制则可以通过旋转坐标变换对磁通和转矩实现解耦控制，使交流电机具有类似直流电机的优良控制特性，转速控制精度高，但是这种控制方法受电机参数影响较大。直接转矩控制则是保持定子磁链幅值恒定，通过控制电机负载角来直接控制电磁转矩，具有较快的动态响应。
相对于矢量控制和直接转矩控制来说，VF控制在转速控制精度和动态响应速度等指标上都存在一定的差距，但是由于其实现方法简单、成本低，鲁棒性高，在交流调速领域依然有十分广泛的应用。此外，从系统通用性的角度来说，VF控制也是交流变频驱动领域最基本、适用场合较多的一种控制方式。因此，在传统VF控制方式的基础上，进行控制策略的完善和优化，已减少或弥补其在控制精度和响应速度等方面的不足就成为一项重要的工作。本文提出了一种通过预励磁、定子电流抑制、谐振抑制等功能来优化VF控制性能的控制策略，并通过仿真和实验对控制策略进行了分析和验证。
2VF控制原理
根据电机学原理，异步电动机的相电动势表达式为
式中，f1为定子电源频率，N1为定子每相绕组匝数，KN1为绕组系数，φm为主磁通。
可以看出，当E1/f1的值保持不变时，主磁通φm保持不变。但是电动势E1不能直接控制，因此我们通过控制定子电压U1与频率f1的比值保持不变，从而使主磁通保持恒定。当频率较高时，定子电压较高，可以忽略定子电阻的电压降；但是在低频时，定子电阻压降的影响不可忽略，需要通过定子电压补偿的方式改善VF控制的低频性能。
本文所采用的控制策略的整体框图如图1所示。在传统VF控制的基础上增加了预励磁、定子电流抑制和谐振抑制功能。预励磁功能可以在电机启动之前预先建立磁通，使电机在启动瞬间有一定的转矩输出，加快电机的启动速度；定子电流抑制功能可以抑制电机加速过程中电流模值在允许的范围内，防止电流过流保护跳闸；谐振抑制功能则可以有效抑制电机在某些特定频段的振荡现象的发生。
3 预励磁功能
在异步电动机的变频调速系统中，电机启动时往往会因为启动转矩不足导致电机启动缓慢，从而造成启动电流过大，一方面可能造成系统的过流报警导致跳闸，另一方面可能对变频器的电力电子器件造成损坏或减少装置的使用寿命。
提高 VF 控制下启动转矩的有效方法是直流预励磁，就是在电机启动之前在定子侧施加直流电压，从而在电机内部注入直流电流，建立一个固定方向与幅值的磁链，由于方向固定，转子绕组不会切割磁力线，因此不会发生转动，预励磁时间结束后进入 VF 正常启动状态。
直流预励磁的理论分析如下：异步电动机的单相等效电路如图 2 所示，图中 为定子电压，R s 为定子电阻，R r '/s为归算到定子侧的转子电阻， 为定子漏抗， 为归算到定子侧的转子漏抗，R m 为激磁电阻，L m 为激磁电抗， 为定子电流， 为转子电流。
电机定子磁链公式、转子磁链、气隙磁链分别为：
当励磁电流稳定时，转子电流为0，式（2）可以写成：
可知，定子磁链、转子磁链、气隙磁链同向。根据异步电动机矢量控制理论，同步旋转坐标系下转矩公式为
可知，当定子电流与定子磁链方向相差90°时输出转矩最大，因此在预励磁结束时刻将输出电压矢量变换90°，即输出一个与磁链矢量相差90°的定子电流矢量，就可以提高启动瞬间的输出转矩，改善启动性能。
本文的直流预励磁具体实现方法如图3所示。首先根据电机励磁时间常数给定预励磁时间，给定预励磁电流指令，采用电流模值闭环输出得到给定电压幅值，并给定初始电压矢量角。当到达预励磁时间后，输出电压矢量角增加90°，使得该瞬间的电流矢量和磁链矢量的夹角为90°，输出最大转矩，之后电机慢慢回到VF曲线启动运行。预励磁时间的取值和励磁电流的取值。
4定子电流抑制
定子电流抑制功能（Imax控制，下同）的作用是保证电机在启动过程中定子电流值不会超过设定值。
根据图2的电机等效电路所示，电机定子电流增大的原因主要有两个：一是转差s变大，造成电路右侧之路的等效阻抗很小，定子电流变大；二是定子电压变大，在电路等效阻抗不变的情况下，定子电流变大。针对第一个原因，可以通过减小变频器输出的同步频率，从而减小转差，从而达到减小定子电流的目的。针对第二个原因，则可以通过降低输出定子电压的幅值来减小定子电流。
根据以上分析，Imax控制的控制框图如图4所示。整个控制功能由频率调节器和电压调节器构成，前者的输出作用于输出频率，后者的输出作用于输出电压，两个控制器均由PI调节器来实现。为了达到限制电流的目的，调节器的输出必须设置上限为0，目的是当定子实际电流值没有超过电流设定值Imax_set时，PI调节器不起作用，以防止将电流调大。当频率调节器起作用时，输出频率减小，可以一直减小到允许的最小频率，同时速度给定的斜坡输出保持恒定，如果电流仍然没有降低到要求的范围内，就需要通过电压调节器的作用使电流继续降低。当电流限制在Imax_set以下时，输出频率仍沿着原来设定的斜坡继续启动。
5谐振抑制
异步电机在VF开环控制模式下的空载或轻载运行时往往会在某一频率段产生运行不稳定现象，转矩波动，电流大幅变化和频率的变换，也就是电流振荡现象。很多论文对该现象产生的原因进行了分析，这是一个十分复杂的问题，与电机参数、DC滤波电容、载波频率、系统谐振频率等众多因素有关。该现象通常会导致系统过流报警跳闸，使系统的可靠性和稳定性下降，因此对该现象进行有效的抑制十分必要。
当电机发生振荡时，定子输出频率不变，转差发生波动，意味着电流有功分量发生波动。因此，可以通过提取有功电流振荡分量，反馈至输出频率抑制转差波动，从而达到抑制电流振荡的目的。
本文提出了一种基于定子电流有功分量的振荡抑制方法，其具体控制框图如图5所示。
采集三相定子电流，经过CLARK变换和PARK变换得出定子电流的有功分量iq和无功分量id，变换角度通过定子电压矢量角减去得到，近似等于转子磁链角。将有功电流分量iq经过滤波环节（图中M2模块）后与iq相减，得到有功电流中所含的振荡分量，振荡分量经过比例系数Kp后作用于给定频率fset，得到最终的输出频率fout。图中的M2模块用来控制谐振抑制功能作用的频率段，通过对f1和f2两个参数的设置，来确定谐振抑制功能的起始作用频率和终止作用频率。
6仿真研究
本文对上述控制策略进行了PSIM仿真，仿真所用的电机参数如表1所示。根据电机参数设置了仿真和实验时的各变量的基准值，其中电压基准值为相电压峰值310.23V，电流基准值为相电流峰值32.23A，频率基准值为50Hz，其他基准值均由这些基准值计算得出。此外，计算得电机额定负载为71.94Nm。
6.1预励磁功能的仿真
预励磁功能的仿真结果如图6所示，电机负载为额定负载，变量显示均为标幺值。
图6（a）为没有加入预励磁功能时电机直接启动的电流波形；图6（b）为加入预励磁后的电机的启动电流波形；图6（c）为无预励磁功能时的转速跟踪仿真波形，可以看出，实际转速跟踪较慢，启动有延时；图6（d）为有预励磁功能时的转速跟踪仿真波形，实际转速跟踪较快，基本是无延时启动。
6.2Imax控制功能的仿真
Imax控制功能的仿真波形如图7所示，电机负载为额定负载，加速时间2s。没有加入Imax控制功能时，电机启动时的电流波形如图7（a）所示,电机起动过程中，大约在0.2s~0.45s的范围内，电流模值超过1.0，最大值达到1.7左右，启动电流比较大。使能Imax抑制功能，电流限幅Imax_Set=1.0，其电机启动波形如图7（b）示，整个启动过程中，定子电流模值一直被抑制在1.0左右及其以下的范围内，可以有效控制电机启动过程中的电流模值，避免电流过大造成过流报警甚至跳闸。
6.3谐振抑制功能的仿真
给出一组电机参数，在给定系统参数的情况下在20~30Hz频段容易发生振荡，本文在此基础上进行了仿真，电机参数如表2所示。
图8给出了谐振抑制的仿真波形。图8（a）为未加入谐振抑制时20Hz时的三相电流波形，可以看出发生了很严重的振荡现象，图8（b）为加入谐振抑制时的20Hz时的三相电流波形，可以看出电流变得三相对称且正弦。
7实验验证
本文在仿真的基础上进行了实验，实验电机参数如表1所示。
7.1预励磁实验
预励磁功能的实验波形如图9所示。
实验结果与仿真结果相同，通过直流预励磁预先为电机建立磁场，可以有效提高电机启动瞬间的输出转矩，加快电机启动速度。
7.2Imax控制实验
实验时电机空载，加速时间2s。图10（a）为没有Imax功能时的定子电流波形，可以看出，电机启动初始的0.5s时间内，电流模值比较大，最大为0.75左右。图10（b）为能使电流抑制功能后的定子电流波形，Imax_Set给定为0.45，可以看出，电流被有效限制在0.45及其以下的区域内。
实验波形可以看出，Imax抑制功能可以有效控制电机加速电流在要求的模值范围内，防止出现过流跳闸。
7.3谐振抑制实验
实验发现，实验用电机在频段10Hz~33Hz左右的范围内发生振荡，因此设置谐振抑制起始频率为5Hz，谐振抑制终止频率为40Hz，使其包含发生振荡的频段。此外，通过调节谐振抑制功能中的滤波时间常数和比例控制系数，使振荡得到有效的抑制。图11（a）和（b）分别给出了电机在转速500rpm时的抑制前和抑制后的三相电流波形。从图中可以看出，加入谐振抑制功能后，电流振荡得到有效抑制，三相电流对称且正弦。
8结论
本文在传统VF控制方法的基础上研究了预励磁、定子电流抑制、谐振抑制等功能的实现，用以优化VF控制的控制性能。
在电机启动之前通过直流预励磁，可以有效增大电机启动瞬间的输出转矩，加快电机启动速度。
通过对三相定子电流进行采集，并对其模值进行监控，利用分别作用于输出频率和输出电压的两个调节器，在电流模值超过允许值时可以通过降低频率或电压达到将定子电流限制在允许范围内的目的，防止过流故障的发生。
通过对三相定子电流进行矢量分解，得到其有功电流分量，并提取其波动分量，使其作用于输出频率，可以有效抑制电机在某特定频段内的振荡现象。
本文对以上控制算法进行了仿真研究和实验验证，仿真结果和实验结果有效验证了算法的准确性和可行性。
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