1 引言

当前在工厂自动化生产中，因节能和调速的需求，变频调速在传动控制中的应用越来越广泛，因此变频器在各种机械设备中作为驱动而广泛应用。

当前变频的各种保护措施都很完善，其中过电压和过电流为其中最为重要的两种保护措施，直接影响变频器运行的可靠性稳定性和安全性。过电流保护主要是指在负载突变时电流的峰值超过变频器所允许的值时，变频器能够主动抑制电流过快、过大的突变，保护变频器和电机。过电流保护具有反时限特性。因此，变频的设计开发及应用过程中如何有效抑制过电流是一个关键的问题。

而低成本和易使用的V/f控制方法在不需要高性能，高动态响应的异步电动机传动控制领域（如风机和泵类负载）广泛应用，本论文主要介绍在V/f控制方式下通过控制变频器中逆变单元IGBT的状态，实现变频器对过电流抑制的一种方法。

2  恒压频比V/f控制方法

2.1  V/f控制原理

在电机调速时，一个重要的因素就是控制保持磁通量Φ_m为额定值。磁通太弱无法充分利用电机的铁心。若磁通太强，致使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重的甚至会因为绕组过热而损坏电机。恒压频比V/f控制就是保持输出电压和输出频率为恒定值,从而保持磁通恒定的一种方法^[1]。同时，V/f控制算法简单易于实现开发成本低，广泛应用于不需要快速动态响应的异步电动机的控制领域，比如风机，泵等负载。

由文献[1]和文献[2]可知，在下列假定条件下：（1）忽略时间和空间谐波；（2）忽略磁饱和；（3）忽略铁损，交流异步电动机T型等效电路如图1所示。
  

2.2  变频器典型V/f控制

在变频器的V/f设计时，典型的开环V/f控制原理框图如图2所示。

图2 开环V/f控制框图

输出电压根据V/f特性计算得到，保证整个额定工作范围内所需要的稳态磁通。V/f特性通常包含补偿定子电阻压降所需的补偿电压，通常称为转矩提升，特别是在低频区域。开环V/f控制中测量的唯一的电机的物理量就是定子电阻，通过调节频率和电压来限制电流的大小。

3  过电流抑制控制方法

根据前面的论述以及实际应用，为了保证变频器可靠，稳定地运行，V/f控制模式下的电流限制是必须的设计。但是在开环V/f控制模式下并不直接控制电流，也就是说定子电流不受控制，为了限制电流，必须通过控制并适当地调节变频器的输出电压，但是还要尽可能地保持恒压频比和稳定的输出转矩与转速，本论文提出的限流的方法是通过检测变频器的输出电流达到一定阈值时，保持输出频率不变，输出电压的值不变，但是快速的调节反转变频器逆变部分IGBT的状态，当前开通状态的IGBT变为关断状态，关断的变为开通，进而控制变频器三相输出电压也进行反转，即快速对电机的三相电压同时反向，此时对于电机测来看，其转向不变，但是反向电压的介入，使电流得到快速的抑制，待电流下降到一定的阈值后，恢复正常的PWM控制。

电流限制原理流程图如图3所示。

图3 电流限制原理流程图

该方法在实际的变频器中进行了有效性的验证，设计中主要控制程序代码如下：

if(AD_Result.U_Current>3300||AD_Result.U_Current<700||AD_Result.V_Current>3300||AD_Result.V_Current<700||AD_Result.W_Current>3300||AD_Result.W_Current<700)

  {

  INV_STAT.inf.bit15=1; //voltage direction reverse

  OC1=0;

  }

  else

  {

  INV_STAT.inf.bit15=0; //voltage direction keep

  OC1=1;

  }

  if(INV_STAT.inf.bit15==1)

  {

  if(TA>T12_PR/2)

  {

  TA=0;

  }

  else

  {

  TA=T12_PR;

  }

  if(TB>T12_PR/2)

  {

  TB=0;

  }

  else

  {

  TB=T12_PR;

  }

  if(TC>T12_PR/2)

  {

  TC=0;

  }

  else

  {

  TC=T12_PR;

  }

  CCU62_CC60SR =TA;

  CCU62_CC61SR =TB;

  CCU62_CC62SR =TC;

  }

  else

  {

  CCU62_CC60SR =TA;

  CCU62_CC61SR =TB;

  CCU62_CC62SR =TC;

  }

4  实验测试验证

4.1 实验测试系统总体结构

该系统主要由驱动器（变频器）、接触器、负载三部分组成，测试系统框图如图4所示。

图4  测试系统框图

负载如图5所示。

图5  负载实物图

为了增加负载突变对变频器电流的影响，并且考虑到在实际应用中一些设备需要同一台变频器驱动不同的电机并且根据工艺不断切换的情况，虽然会做逻辑上的控制，但是偶尔也会发生类似的情况，设计以下实验方法：

a) 变频器先启动并运行到25Hz；

b) 吸合接触器，切入满负荷的电机，使输出电流能够快速提升；

c) 通过示波器观测变频器输出电压和电流。

4.2 实验结果

CH1: V相的PWM信号

CH3:开路集电极输出，只是电压状态。IGBT控制状态反转时，输出低，反之为高

CH4: V相输出电流

图6 实验结果：输出电流及PWM行为

通过输出电流和PWM的行为可以看到，当电流突然增大时，电压被控制迅速实施反转换向，输出电流在电压反转后也降低，说明该方法能够有效的抑制电流的突变，可增强变频器运行的可靠性和稳定性。

5  结束语

通过实验结果，证明该方法能够帮助变频器在V/f控制模式下抑制输出电流的突变，尽可能防止过电流的发生。

但是当前该方法是基于载波频率的控制周期内完成，在载波频率比较高的情况下，抑制效果较好，但是当载波频率比较低时，调节会受到影响，效果不明显，后期会针对目前的不足做进一步研究。

参考文献：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社,2000.

[2]孙旭东,王善铭.电机学[M].北京:清华大学出版社,2006.

[3] Martina Kutija, Damir Sumina. A current limiting technique for V/f controlling induction machines[C]. 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, Antalya, Turkey 21-24 Sept, 2014

[4] R.F.Yang, W. Chen, Y. Yu, D. Xu. A novel V/f control system based on stator voltage oriented method[J]. Proc. Int. Conf. on Electrical Machines and Systems ICEMS, Wuhan, China, 2008.

作者简介：

宫文展（1984-）男 工程师，现从变频器的开发与应用。 

宫文展，男，1984年出生，硕士研究生学历，工程师，从事变频器的开发与测试工作