基于定子电压矢量定向的转矩提升方法研究

于泳，熊文凯，陈伟，徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨150001）

摘要：感应电动机定子电阻压降导致V/F控制系统低速时的输出转矩下降，严重影响了V/F控制系统的低速性能。在分析现有转矩提升方案的基础上，提出了一种新颖的转矩提升方法。通过基于定子电压矢量定向的旋转坐标变换，可以实现定子电流的解耦，从而方便地得到定子电阻压降补偿量。该方法只需知道定子电阻值，实现简单。实验结果表明：采用补偿方案后，电机起动性能良好，电机能在1 Hz满载平稳运行。实验结果验证了该转矩提升方案的有效性。

关键词：恒压频比控制；转矩提升；定子电压矢量定向；定子电流解耦

中图分类号：TM301. 2    文献标志码：A    文章编号：1001-6848（2010）01-0026-03

     

0 引  言

  采用V/F (恒压频比)控制的通用变频调速系统应用时无需依赖电机参数，具有简单、可靠以

及低成本等优点，在交流调速领域得到广泛的应用。但是，由于定子电阻压降的影响，传统的V/F控制系统低速时输出转矩下降，造成带载起动困难，低频带载能力差（3 Hz以下无法满载运行）等问题，必须加以改进^[1-5]。

    已有众多学者对定子电阻压降进行了深入研究，并提出了多种补偿方案。比较侍统的补偿方法是手动补偿法，即人为地设定一个补偿量，该方法偶然性比较大，容易导致过补偿和欠补偿^[2]。现在采用的方法大多是自动补偿方法，按照其补偿方式的不同，大致可分为两类：矢量补偿方法和标量补偿方法^[3]。

   矢量补偿是按照电机输入电压和电流之间的三角关系来计算定子电压给定值的，从幅值和相角两方面来修正定子电压^[2-5]。该方法虽然准确，但是定子电压矢量和电流矢量之间的夹角不易获取，且计算复杂，实现困难。

   标量补偿只修正定子电压矢量的幅值^[6-7]，即直接在定子反电动势的给定值的基础上添加一个补偿量。该方法比较容易实现，但工程实践表明：该方法容易导致气隙磁通饱和，造成过补偿。

为解决上述问题，本文提出了一种基于定子电压矢量定向的转矩提升方法。通过定子电压矢量定向，实现有功电流和无功电流的解耦，能够方便地得到定子电阻压降补偿量；同时通过对无功电流的控制，使其保持恒定，可以进一步确保低速时电机磁链的恒定。最后，通过实验结果对该方法的有效性进行了验证。

    由文献[4]的分析可知，定子电阻压降补偿是在保持定子磁链大小恒定（等于其额定值）的基础上进行的。由图1所示的感应电机稳态等效电路和电机学的基本原理可知，三檀异步电动机定子每极磁通可由下式表达^[8]

式中，工为感应电机当前运行频率；E_为定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；对于确定的电机而言，k为常数。

    由式(1)可知，只要控制好E_m和f₁的量，就可以达到控制磁通φ_m。的目的。但是在感应电机中反电势E_m的值无法直接获取，只能通过相电压V_s来检测和控制。而由图1所示向量关系图可知

 

    设K_s0为E_m在额定频率f_o时的值，则任意频率f₁时，为保持气隙磁通恒定，所需要的反电势值为：

    由式(4)可知，在高频段，感应电势E_m。比较大，定子阻抗压降I_sR_s。相对很小，可以忽略不计，V_s和E_m近似相等，可以用V_s/f<