CN100347949C - 应用于三电平变频调速系统起动过程中的直流预励磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种增加变频调速系统的起动转矩、减小起动电流从而改善变频器—电机系统起动性能的直流预励磁方法，属于电力电子应用技术领域。本发明首先在分析传统VVVF变频调速系统起动性能不足的基础上，根据park方程，确定预励磁方案选用励磁电压矢量方向和起动电压矢量方向；为了兼顾三电平中点平衡原理和空间矢量PWM脉冲发生准则，选用励磁电压矢量方向上的PPP和PNP矢量；根据电机内部参数，确定目标电流，决定作用矢量施加的时间、大小；最后根据目标电流，生成电压矢量脉冲序列，通过系统性试验，以起动电流最小化、增加起动转矩为目标，结合三电平变频器的自身特点，求取最优的励磁角度和励磁电流。

Description

应用于三电平变频调速系统起动过程中的直流预励磁方法

技术领域

本发明主要涉及增加变频调速系统的起动转矩、减小起动电流从而改善变频器—电机系统的起动性能，属于电力电子应用技术领域。

背景技术

当今变频调速系统的两大主要发展趋势为：1)高压大容量；2)高性能的中小容量系统。对于前者，目前用户关心更多的是应用中的可靠性问题；对于后者而言，主要期望能获得令人满意的性能指标，如低速大转矩、波形畸变率等。这其中，起动性能指标几乎是衡量所有变频调速系统最重要的指标之一。不同的应用场合，对于变频调速系统提出的起动要求不尽相同，有的要求大的起动转矩，有的要求起动电流小，一般都希望两者兼而有之。

在试验过程中发现，对于55kW、160kW乃至1.25MW的开环空间矢量脉宽调制三电平调速系统，在电机低频起动时出现较大的冲击电流。在160kW变频器-电机系统中，这种过大的电流冲击最高可能超过600A，而空载稳态时的电流峰值仅为124A，系统满负荷时的峰值电流也只有430A。过大的电流冲击无论对于电机绝缘，对于系统的起动性能，还是对于变频器开关器件都危害极大：

1)尽管起动电流很大，但此时的输出机械转矩并不大，因此，当带大转矩负载的时候，系统经常无法正常起动；

2)过大的起动电流极易使得中点电压发生偏移而使得变频器无法正常起动；

3)为了避免过大的冲击电流对于开关器件的损坏，设计中常常需要将器件裕度提高，这就大大增加了成本。

为了有效避免这种冲击电流，同时保证足够的起动转矩，本发明在详细分析系统起动过程中的大电流产生原因的基础上，在起动过程中尝试加入预励磁方案，以期获得较好的起动性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种应用于变频调速系统中的预励磁方法以有效减小起动电流，增大起动转矩，从而有效改善系统的起动性能。

本发明提出的预励磁方案包括以下步骤：

1、本发明首先在理论上确定合成励磁电压矢量和起动电压矢量方向之间夹角为90°，预励磁方案为直流预励磁；

2、选用励磁电压矢量PNP和PPP(见图1)，以兼顾三电平中点平衡原理和空间矢量PWM脉冲发生准则；

3、通过系统性试验(10次左右即可)，确定最佳目标电流为230A(见表1)，矢量施加时间固定在2s；

4、根据目标电流，生成电压矢量脉冲序列，由主控DSP芯片交替发出矢量PNP和PPP，使励磁电流控制在230A附近；

上述步骤中，选用的励磁电压矢量和起动电压矢量必须满足以下条件：

1、从park方程中，两者的夹角在90°附近(由于磁饱和和电机内部的非线性问题，可能有所偏差)；

2、设定预励磁目标电流，通过改变一个开关周期内的占空比，来达到预励磁期间的目标电流。当电流超过目标电流后，发零矢量PPP(见图1)以减小目标电流；当电流不足，发大矢量PNP(见图1)以增加定子电流；

3、励磁电压矢量和起动电压矢量均不能使得变频器上下母线电压失衡。起动过程中，小矢量作用频繁，需要注意选择恰当的矢量；预励磁过程中，电流方向固定，应避免使用中、小矢量；

4、励磁时间应适当选择。过长的励磁时间将使得电机本体发热严重，时间过短有可能励磁不足，从而达不到期望的励磁效果；

5、上述因素必须与电机的内部参数相结合，励磁效果因电机参数而异。

本发明的特征在于，该方法依次含有以下步骤：

步骤1：主控芯片DSP初始化

设定：

励磁电压矢量和起动时刻电压矢量之间的角度θ＝90°，而且要先于电机起动来建立电机内部磁场；

根据设定的预励磁目标电流，确定所选主控芯片DSP在一个开关周期内的初始占空比；

有效预励磁时间＞5τ，以增大输出电磁转矩，其中τ为电机定、转子总回路时间常数，τ为已知量；

在主控芯片DSP中的ACTR寄存器预设二进制数组#0000111101011111，以使主控芯片DSP交替发出矢量PNP和PPP，使励磁电流控制在设定的预励磁目标电流附近，所选PNP、PPP分别为三电平变频器矢量空间的大矢量和零矢量；

步骤2：主控DSP芯片预先通过外围驱动电路向电机施加直流预励磁电压；

步骤3：主控DSP芯片通过ADC电路测量当前励磁电流值；

步骤4：主控DSP芯片判断当前励磁电流与预励磁目标电流之差；若：当前励磁电流大于预励磁目标电流，便调整占空比通过外围驱动电路向电机发零矢量PPP；若：当前励磁电流小于预励磁目标电流，便调整占空比通过外围驱动电路向电机发大矢量PNP；

步骤5：主控DSP芯片判断励磁时间是否超过设定值，若否，则返回步骤4；若是，则预励磁结束，起动电机；

本发明所提出的直流预励磁方案，具有以下优点：

1、提高电机起动转矩，尤其是带大负载的能力；

2、有效减小起动电流，从而有效保护电力电子开关器件，避免大电流对系统的冲击；

3、算法上，主要是两个电压矢量在励磁过程中快速切换，实施设定的电流bang-bang控制，达到电流的实时稳定，简便而且动态响应快；

附图说明

图1为三电平变频器空间矢量分布图。

图2为三电平中点箝位式主电路结构：Sa2所代表的是半导体开关器件IGBT。

图3为选用本发明前后起动电流对比：a.)无预励磁；(b)有预励磁。

图4为采用本发明时起动电机前后定子电压、磁链的空间矢量图：a.)t＝t₁；(b)t＝t₁+Δt；

图5为空间电压矢量P00对应的电机模型。

图6为大矢量和零矢量对应的电机模型，其中图6(a)对应大矢量PNP，图6(b)对应零矢量PPP。

图7为预励磁波形，其中图7(a)实施本发明时电机起动前后线电压波形，图7(b)对应实施本发明时直流母线电压。

图8为大容量变频器一个桥臂的换流过程。其中Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4均为半导体开关器件，此处为IGBT。

图9为试验电机在机端加直流的情况下的电流过渡过程：图中所示为电机B相电流，“”为仿真结果，“—”代表试验结果。

图10为电机对应的磁化曲线：横轴为磁场强度，纵轴为磁感应强度。

图11为实施本发明的具体流程。

图12为总的系统框图。

从本发明的实施情况来看，实施本发明前，电机起动电流最高超过600A。实施后，最小的第一尖峰电流可以达到56A，极大地遏制了起动电流，对于保证变频器安全使用有积极作用。

具体实施方式

本发明所提出的直流预励磁方案，首先确定应用于三电平变频器—电机系统起动性能的改善；根据“起动时输出转矩尽可能大、起动电流冲击尽可能小”的准则，首先选择合适的电压矢量方向；在此方向上，根据中点平衡原理，从而选用合适的电压矢量；根据电机内部参数，设定目标电流，决定电压矢量作用时间和作用方式，生成电压矢量序列。

上述最终生成的电压矢量序列必须满足：实施电流的bang-bang控制，在一个采样周期内切换电压矢量，稳定电流作用幅值；电压序列不能使中点发生偏移，电流一旦超出，则施加零矢量，一旦不足则施加大矢量；同时，要考虑到在一个开关周期内使得管子动作最少，以达到最优的矢量配置；

具体地讲，本发明的第一步是：根据起动出现大电流的原理，确定选用电压矢量的方向与起动时刻电压矢量之间夹角为90°左右。根据矢量控制作用原理：

${\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_{r}p}{i}_{\mathrm{sd}}---\left(1\right)$

$T_{\mathrm{em}}=p_n\frac{L_m}{L_r}{i}_{\mathrm{sq}}{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rd}}---\left(2\right)$

其中Ψ_rd为在d-q坐标系下，转子磁链的d轴分量。i_sd、i_sq分为定子电流的d、q轴分量。L_m为电机激磁电感，L_r为电机转子漏感，p为海氏算子，τ_r为转子时间常数，T_em为电机电磁转矩，p_n为电机极对数。

不考虑动态过程τ_rp，为了得到某个固定的电磁转T_em ^*，有定子电流i_s的表达式如下：

$i_s=\sqrt{{i^2}_{\mathrm{sd}}+{i^2}_{\mathrm{sq}}}---\left(3\right)$

$=\sqrt{{\left({\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rd}}\frac{1+{\mathrm{\τ}}_{r}p}{L_m}\right)}^2+{\left(T_{\mathrm{em}}\frac{L_r}{p_n{L}_m{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rd}}}\right)}^2}$

$\≥\sqrt{2\frac{L_r}{p_n{L}_m^2}{T}_{\mathrm{em}}^{*}}$

当且仅当 ${\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rd}}=\sqrt{\frac{L_r{T}_{\mathrm{em}}^{*}}{p_n}}$ 时等号成立，定子电流取得最小值。

对于固定的T_em ^*(如空载起动时主要为机械转矩)，如果建立的磁场幅值不足或者过量，都将导致定子电流某个分量过大，即出现上述的起动电流过大。为了有效遏制起动电流，在预励磁阶段最好将Ψ_rd限制在

附近的一个邻域内，此时起动电流最小。否则电流都将迅速增大。而一旦磁场建立起来以后，电机反电势的出现将有效地限制定子电流且和该频率下的励磁电流大致相当。

起动时刻，电机内部磁场不足，从而出现大电流冲击。为了有效地抑制这种起动大电流，需要在电机起动时刻施加合适的励磁矢量，即先于电机起动建立电机内部磁场。选用的电压矢量如图4所示，其中U_S1为励磁电压矢量，U_S2为起动电压矢量，θ为两者夹角，Ψ_S为定子磁链，I_S1为实施预励磁电机起动前的电流，I_S2为实施预励磁电机起动后的电流，R_S为定子电阻。

根据park方程，有

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\Ψ}}_S=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_S(t_S+\mathrm{\Δt})-{\mathrm{\Ψ}}_S\left(t_S\right)}{\mathrm{\Δt}}=U_{S2}-I_{S1}{R}_S---\left(4\right)$

两边同时I_S2(t_s)有

$\frac{{\mathrm{\Ψ}}_S(t_S+\mathrm{\Δt}){\⊗I}_{S2}-{\mathrm{\Ψ}}_S\left(t_S\right)\⊗I_{S2}}{\mathrm{\Δt}}=U_{S2}{\⊗I}_{S2}---\left(5\right)$

注意到

T_e＝p_n(ψ_s_is)                                            (6)

则

$\left|\frac{{\mathrm{dT}}_e}{\mathrm{dt}}\right|=p|U_{S2}\⊗I_{S2}|---\left(7\right)$

近似认为起动瞬间 $I_{S2}{\≈I}_{S1}=\frac{U_{S1}}{R_S},$ 因此在起动电机的瞬间

${\mathrm{\ΔT}}_e\≈p_n\frac{U_{S2}\⊗U_{S1}}{R_S}\mathrm{\Δt}---\left(8\right)$

可见，预励磁结束后，在同样的时间区间Δt内，输出转矩在励磁电压矢量和起动时刻电压矢量之间的角度θ＝90°时达到最大值。但是，由于电机参数的非线性、电机三相参数的非完全对称以及电机内部剩磁等等问题，在实际中，I_S和ψ_S从相位上并不完全重合，这也决定实际励磁角度θ并不一定取90°为最佳；而最佳角度的选取，需要通过反复试验、综合比较各种角度来获得。一般经过10次试验即可获得。

第二步：兼顾三电平中点平衡原理，选用励磁电压矢量方向上合适的电压矢量形式为PNP和PPP(见图1)。相对于两电平，三电平中点箝位式主电路结构的特有问题主要体现在中点平衡的控制上，这就限制了预励磁时电压矢量选择。对电压不平衡影响最大的是小矢量和中矢量，这其中又以小矢量影响尤甚。以下桥臂电容C2做为研究对象，可以将小矢量分为充电矢量(USV)和放电矢量(LSV)

$\mathrm{USV}:{\stackrel{\→}{V}}_{P00},{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{PP}0},{\stackrel{\→}{V}}_{0P0},{\stackrel{\→}{V}}_{0\mathrm{PP}},{\stackrel{\→}{V}}_{00p},{\stackrel{\→}{V}}_{p0p}$

$\mathrm{LSV}:{\stackrel{\→}{V}}_{0\mathrm{NN}},{\stackrel{\→}{V}}_{00N},{\stackrel{\→}{V}}_{N0N},{\stackrel{\→}{V}}_{N00},{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{NN}0},{\stackrel{\→}{V}}_{0N0}$

以 (变频器A相输出电平为正母线电压，B、C两相输出电压为0)为例，电流流向如图5所示。

这样就要求：第一、尽量避免起动时刻冲击电流出现。由于在低频起动时刻，作用的电压矢量将使得小矢量频繁出现，如果某一时刻电流过大，将使得小矢量作用期间，母线上出现较大的电压波动，严重时变频器无法正常起动；第二、在直流预励磁方案中，建议尽量不使用小矢量和中矢量，否则母线电压将可能出现严重偏移，或者必须在预励磁的同时调整矢量作用时间和形式以兼顾中点平衡，这无疑将大大增加控制策略的复杂性。而大矢量的长时间施加将使得电流迅速上升，导致过流损坏电机或者开关器件。试验中采用直流斩波的方式，在软件控制中即表现为大、零矢量(如在此选用矢量PNP和PPP)按照一定的占空比交替发出，如图6所示。试验中，比较好的控制了中点电压，如图7所示。

应当引起注意的是，上述三种组合，无论哪一种都打破了SVPWM调制原则——开关矢量在每次切换时只有一个开关函数动作，而且这个开关函数每次只能跳变一个电平。相比较选择零矢量000和NNN，选用PPP矢量在预励磁期间将带来最少的开关动作，但是B相桥臂开关函数由[0011]切换至[1100]的过程中，由于换流回路中死区和杂散参数的差异，导致可能出现瞬间的[1001]状态。考虑到预励磁期间B相桥臂的电流方向为流入中点的方向(如图8所示)，最终导致短时间内单管承受全母线电压。

本试验装置中的直流母线空载电压为538V左右，选用的开关管为SKM600GB126D，其耐压为1200V，因此留有很大的耐压裕量。同时，由于开关矢量[1001]的作用时间不长，通常远小于1μs，因此在中小容量的变频器中，即使出现上述异常，仍能保证变频器工作安全。

第三步：根据电机内部参数，确定作用矢量施加的时间、大小。此处时间大致为2秒左右，励磁电流200A左右。在α-β坐标系下有异步电动机的磁链方程：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\Ψ}}_S=U_S-I_S{R}_S---\left(9\right)$

同时

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_S=L_S{I}_S+L_m{I}_r\\ {\mathrm{\Ψ}}_r=L_m{I}_S+L_r{I}_r\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中R_S为定子电阻。

在直流预励磁时，转子不动，限定电流幅值为I₀，则

ψ_S＝L_S·I₀+f(I_S)                              (11)

由于在DSP的PWM控制周期内采用斩波方式发出电压矢量，励磁电流将以I₀为中心上下小幅波动，这个影响在式(11)中用函数f(I_S)表示。不考虑这一项的影响，即认为励磁电流达到稳态时磁链无变化，I_r＝0，代入(10)有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_S\left(t_0\right)={\mathrm{\Ψ}}_r\left(t_0\right)=0\\ {\mathrm{\Ψ}}_S\left(t_1\right)=L_S{I}_{S1}=L_S\frac{U_{S1}}{R_S}\\ {\mathrm{\Ψ}}_r\left(t_1\right)=L_m{I}_{S1}=L_m\frac{U_{S1}}{R_S}\end{array}\right.---\left(12\right)$

在图4中，t₀为预励磁开始时刻，t₁为预励磁结束(即开始起动电机)时刻。

对已知试验曲线进行拟合，如图9，通过实际曲线拟合，获取电机定、转子总回路时间常数τ＝0.022(s)。则磁场尚未完全进入稳态值时，曲线变化规律满足

$i_S\left(t\right)=\frac{U_S}{R_S}(1-e^{-(t-t_0)/\mathrm{\&tau;}}){,t}_0<t{<t}_1---\left(13\right)$

不考虑电机剩磁，联立式(12)(13)有

${\mathrm{\&Psi;}}_S\left(t\right)={\mathrm{\&tau;U}}_{S1}(1-e^{-(t-t_0)/\mathrm{\&tau;}}),t_0<t{<t}_1---\left(14\right)$

可见，对于励磁矢量施加时间和大小，有如下要求：

1)电机起动时刻t₁：为了有效利用所建立的磁场，应当在预励磁结束瞬间立刻起动电机，否则磁场将随着电流的衰减而衰减。当电流为0时，电机内部将只剩下剩磁Br(如图10所示)，使得励磁效果没有得到充分运用。

2)有效励磁时间t₁-t₀：时间越长，励磁效果越充分，输出电磁转矩越大；为了能够达到预定的电流值，至少要求有效励磁时间t₁-t₀＞5τ，本试验中要求2s左右。

3)励磁电压幅值：注意到 $i_{S1}\left(t_1\right)=\frac{U_{S1}}{R_{S1}}(1-e^{-(t_1-t_0)/\mathrm{\&tau;}}),$ U_S1越大，即稳态励磁电流越大，输出转矩越大；考虑到电机起动电流不能过大，两者需要进行折中；

第四步：确定直流预励磁方案程序流程如图11所示。为了交替发出矢量PNP和PPP，只需要将DSP芯片中的ACTR寄存器写入二进制数组#0000111101011111即可。将本方案应用于160kW三电平变频调速实验平台，得到实验数据和曲线如下表1所示。可以看出，本发明对于第1～3尖峰电流的抑制作用明显。对于前3个波头而言，预励磁对于第一个周波的电流尖峰的抑制更有规律，对于本实验平台，全局最优解为(θ＝80°，I_S＝220A)。

                    表1预励磁试验列表举例

励磁角(度)	励磁电流(A)	第1尖峰电流(A)	第2尖峰电流(A)	第3尖峰电流(A)
					65	150	212	90	110
70	190	190	144	87
					80	230	56	199	83
90	150	326	122	90
					100	190	303	188	90
100	230	214	233	55

Claims (3)

1、应用于三电平变频调速系统起动过程中的直流预励磁方法，其特征在于该方法依次含有以下步骤：

步骤1：主控芯片DSP初始化

设定：

励磁电压矢量和起动时刻电压矢量之间的角度θ＝80°，而且要先于电机起动来建立电机内部磁场；

根据设定的预励磁目标电流，确定所选主控芯片DSP在一个开关周期内的初始占空比；

有效预励磁时间＞5τ，以增大输出电磁转矩，其中τ为电机定、转子总回路时间常数，τ为已知量；

在主控芯片DSP中的ACTR寄存器预设二进制数组#0000111101011111，以使主控芯片DSP交替发出矢量PNP和PPP，使励磁电流控制在设定的预励磁目标电流附近，所选PNP、PPP分别为三电平变频器矢量空间的大矢量和零矢量；

步骤2：主控DSP芯片预先通过外围驱动电路向电机施加直流预励磁电压；

步骤3：主控DSP芯片通过ADC电路测量当前励磁电流值；

步骤4：主控DSP芯片判断当前励磁电流与预励磁目标电流之差；

若：当前励磁电流大于预励磁目标电流，便调整占空比通过外围驱动电路向电机发零矢量PPP；

若：当前励磁电流小于预励磁目标电流，便调整占空比通过外围驱动电路向电机发大矢量PNP；

步骤5：主控DSP芯片判断励磁时间是否超过设定值，若否，则返回步骤4；若是，则预励磁结束，起动电机。

2、根据权利要求1所述的应用于三电平变频调速系统起动过程中的直流预励磁方法，其特征在于：所述的预励磁目标电流为230A。

3、根据权利要求1所述的应用于三电平变频调速系统起动过程中的直流预励磁方法，其特征在于：所述的θ＝80°，所述的预励磁目标电流为220A。

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