雙變量變頻器有級調壓閉環調速策略研究

鞏銀苗++魯西坤++盧春華++石峰++徐帥

摘 要：文章針對傳統的交-交變頻器開環控制對轉速控制的精度不高、控制難度大的不足，在原有的僅采用控制觸發增量方法的基礎上加入了有級調壓閉環調速控制策略。通過在Matlab/Simulink中引入S函數，建立了分段變頻有級調壓閉環調速系統的仿真模型，并以雙變量變頻器為基礎設計了實驗電路，編寫了實驗程序，從仿真和實驗兩個方面對有機調壓閉環調速系統的性能進行了分析。最后，得出雙變量交-交變頻器有機調壓閉環調速控制策略具有很高的控制精度，能夠提高系統的穩定性的結論。

關鍵詞：雙變量控制；有級調壓；閉環調速

在現代工業控制中，繞線式電動機尤其高壓繞線電機的應用已經十分普遍[1-4]。對高壓繞線電機進行調控時，若僅僅采用傳統變頻器的開環控制，就會使控制的難度增加，并且很難保證很高的控制精度[5-6]，如果在原有的變頻器的基礎上加入閉環控制，就可以減小調控的技術難度，提高系統的控制精度，具有很高的經濟意義[7-8]。

本文在對六脈波雙變量交-交變頻進行深刻的分析的基礎上，引用了有級調壓閉環調速的概念，并對電機的交-交變頻調速方法進行了探索和研究，根據有級調壓閉環調速的方法，進行了大量的理論分析、建模仿真和實驗研究。

1 雙變量交-交變頻有級調壓閉環調速原理

1.1 雙變量控制理論

所謂的雙變量控制理論就是在單變量控制的基礎上增加對觸發脈沖后沿（即脈沖寬度b）進行控制，它是雙變量控制理論的精髓[9-10]。第一個變量a角和單變量控制理論相同，用于確定觸發脈沖的觸發時刻。如果采用正弦交流電作為模擬基準電壓，會產生交流電壓，這個電壓波形的平均包絡線就會和輸入的模擬基準電壓波形精確地對應起來。雙變量控制理論同樣是利用余弦交截法輸出電壓最接近于理想正弦電壓的原則，來實現觸發角和基準電壓之間的余弦關系，達到輸出正弦電壓波形的目的[11]。

1.2 有級調壓閉環調速原理及優勢

在以前的研究中，為了能夠在交-交變頻上實現連續調壓，統一采用前移或者后移觸發時刻來增大或者減小電壓的方法，控制量是觸發時刻的增量。這種方法可以實現轉速和電壓的連續調節，可以在控制策略上加入一些復雜的算法。但是如果純粹采取這種控制方式，明顯存在當調壓深度較深時，電壓波形上會出現死區的缺陷，并且隨著調壓深度的加深，死區時間會變長，諧波含量也會增加[12-13]。

為實現交-交變頻器的全范圍調速，提高交-交變頻器輸出的電壓波形的質量，本文使用有級調壓的方法彌補兩個頻級間的轉速空白，并且加入了閉環控制，增加了速度反饋。這樣既提高了系統的穩定性，又提高了輸出電壓波形的質量，還可以獲得較寬的調速范圍和較高的調速精度。由于采用的是有級調壓，為了避免出現電壓不停切換，致使出現轉速震蕩的現象，在調速的過程中，設置了一定的轉速容差，只有檢測到實際轉速與變頻器給定轉速之差大于所設容差的時候，才對電壓進行調節。本文設置容差為3 r/min。

2 系統仿真模型的建立與仿真分析

根據分段變頻有級調壓閉環調速原理，結合電機的等效電路參數，在Matlab/Simulink仿真軟件中建立對應的仿真模型，并依據分段變頻有級調壓閉環變結構調速原理對系統進行仿真研究，以驗證其實際效果[14]。

雙變量交-交變頻器有級調壓閉環調速的仿真模型如圖1所示。該系統可以分為六相電源部分、變頻部分、脈沖觸發部分、電機模塊、測量模塊、速度反饋、速度給定等部分。其中，速度給定是閉環調速的核心部分，速度給定與速度反饋的值經過比較后作為脈沖觸發部分的給定，從而確定變頻器的輸出，達到精確控制系統轉速的目的。

交-交變頻器的開環控制系統和加入有機調壓閉環調速控制策略后的轉速仿真波形如圖2所示。其中，電機的初始給定轉速為240 r/min，當時間達到3 s時，將給定轉速突變為270 r/min，轉速的容差設置為2 r/min。

從開環與閉環調速的仿真結果可以看出：開環控制時起動的超調較大，過渡時間為0.8 s，當突變給定轉速后，系統的超調量同樣很大，經過0.7 s后才能夠穩定到新的給定轉速，超調量為4.1%；而加入了幾條閉環調速后的起動過渡時間較小，為0.6 s，并且系統的超調量較開環時也減小，當給定轉速突變后，系統能夠很快穩定到新的給定轉速，大約經過0.35 s，超調也明顯減小為1.8%。整體上看，加入了有級調壓閉環調速后，系統的超調量較開環控制有較大的減小，反應的快速性較開環控制有很大的提高。

3 實驗及分析

為了進一步驗證仿真結果，得到更直觀的結論，構建了基于STM32的六脈波雙變量交-交變頻器有級調壓閉環調速系統的實驗系統，其系統框如圖3所示。系統的主回路由電源部分，三相變六相變壓器，晶閘管轉換電路和負載電機組成。系統的控制回路部分可以分為ARM及其擴展電路、同步電路、電壓電流檢測模塊、速度反饋模塊、脈沖觸發模塊、通信接口、人機界面等模塊構成。

在系統中加入有級調壓閉環調速控制策略后，突變給定轉速的實驗波形如圖4所示，其中，初始給定轉速是650 r/min，待系統運行一定時間，系統的運行狀態完全穩定后，將系統的速度給定編為600 r/min，從圖中可以看出：由于加入了閉環調速的控制策略，系統的啟動過程比較快，能夠迅速達到給定轉速，并且啟動過程中超調量很小；當速度給定突變時，系統能夠很快穩定到新的給定轉速，轉速沒有很大的波動，超調量小，對轉速數據進行采集分析可以得出，系統在給定突變時，能夠在0.8 s內將轉速從650 r/min減小到600 r/min的穩定狀態，總的超調量為0.5%，在系統給定的容差范圍內。

總的來說，在加入了雙變量交-交變頻有級調壓閉環調速控制策略后，系統的響應速度得到了很大的提高，超調量減少，系統的穩定性也得到了提升。endprint

4 結語

仿真和實驗結果驗證了有級調壓閉環調速控制策略的可行性，在系統中加入該控制策略后，系統的響應速度得到了明顯的提高，系統的超調量也明顯減小，從而提高了系統的控制精度，增強了系統的穩定性。因此，雙變量交-交變頻器閉環調速有級調壓控制策略可以推廣到工業應用中，具有一定的應用前景。

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