CN101119090A

CN101119090A - 一种高压同步电机全数字化矢量控制装置

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Publication number: CN101119090A
Application number: CNA2007101180923A
Authority: CN
Inventors: 沈士军
Original assignee: BEIJING HICONICS YISHENG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING HEKANG XINNENG FREQUENCY CONVERSION TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: CN101119090B

Abstract

本发明是一种高压同步电机全数字化矢量控制装置，包括：高压输入移相隔离变压器、带能量回馈的功率单元模块，将所述率单元相互串联实现三相高压变频输出，所述高压同步电机全数字化矢量控制装置还包括由数字信号处理器、可编程逻辑器件和相关外围电路组成的全数字化高压同步电机矢量控制器、与被控高压同步电机同轴相连的转子位置及速度反馈编码器、变频器输出电流检测传感器；所述外围电路包括光纤接口、上位监控系统；所述上位监控系统给定频率。该装置具有电网污染小、无需无功补偿设备，快速响应，调速比范围宽，恒转矩起动，四象限运行能力等特点。

Description

一种高压同步电机全数字化矢量控制装置

技术领域

本发明涉及一种同步电机变频控制装置，尤其是一种交一直一交的变频装置，主要用于高压同步电机全数字化矢量控制。

背景技术

在大功率交流同步电机传动方面，以交-交变频调速传动为主。一般为几百千瓦至数千千瓦。在水泥，采矿与矿山行业、冶金行业、化工，石油与天然气行业、有色金属等特别是矿山的大型矿井提升机传动与调速等领域已有较多的应用。大容量、低转速、高过载、响应快、四象限运行等传动领域主要用于矿井提升机和钢铁厂的主轧机，在此类系统中应用的大多是大功率同步电机，我国目前在高压大功率同步电机控制系统中采用的技术是主要是交交控制方式的变频，而该类型的变频器特点是在应用过程中谐波大对电网的污染很严重，结构复杂，可靠性差等。

高压大功率同步电机变频器，目前来说以交交变频为主，交交变频器由于其控制原理方式的制约，造成其功能和应用范围受限，交交变频器的结构方式把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，改变切换频率，就可改变输出频率；改变交流电路的控制α，就可以改变交流输出电压幅值；输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。输出波形畸变和输出上限频率的关系，很难确定明确界限。

当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3-1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。

主要缺点：

1、受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；

2、输入功率因数较低；

3、输入电流谐波含量大，频谱复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种新颖高压同步电机全数字化矢量控制装置；该装置具有电网污染小无需无功补偿设备、快速响应、调速比范围宽、恒转矩起动、四象限运行等特点。

为实现上述发明目的，一种高压同步电机全数字化矢量控制装置，包括：高压输入移相隔离变压器、带能量回馈的功率单元模块，将所述率单元相互串联实现三相高压变频输出，其特征在于：所述高压同步电机全数字化矢量控制装置还包括由数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件和相关外围电路组成的全数字化高压同步电机矢量控制器、与被控高压同步电机同轴相连的转子位置及速度反馈编码器、变频器输出电流检测传感器、单元控制电路UFC；所述外围电路包括光纤接口、上位监控系统；所述上位监控系统是用于给定频率，接收控制系统的上报信息。

本发明所述高压输入移相隔离变压器副边采用延边三角型移相隔离降压共18绕组输出，18组分成三相每相六组，每相绕组彼此移相10°，其输入为高压三相交流电，经移相隔离降压输出后输出三相低压交流电压连接到所述的功率单元模块输入端R、S、T。

本发明所述带能量回馈的功率单元模块的三相交流输入电压R、S、T端为移相隔离变压器的输出，经过电容器、电感器缓冲和滤波环节连接到三相同步整流绝缘栅双极性晶体管IGBT上，同步整流后经电容、电阻滤波成直流电压，再经4个IGBT连接成H桥进行电压逆变，对所述逆变IGBT的控制是由全数字化高压同步电机矢量控制器中的脉宽调制器PWM发出的信号经光纤发送到单元控制电路UFC控制H桥的逆变。

本发明所述的功率单元模块采用串联连接方式，每个功率单元模块的输入为R、S、T端，每个功率单元模块的输出为L1、L2，每个单元模块的L1与上一级同相的功率单元模块的L2相连接，在最顶层三相功率单元模块的L1连接到一起成中性点N，各相最底层功率单元的L2作为变频器输出。

本发明所述速度与位置传感器的旋转部分与电机转子同轴相连，固定部分与电机座相连，位置及速度信号传输给全数字化高压同步电机矢量控制器。

本发明所述全数字化高压同步电机矢量控制器，其输入信号为上位监控系统频率给定值n^*、高压同步电机同轴相连的转子位置及速度反馈编码器信号经位置速度处理电路生成转速n和转子位置信号θ、变频器输出电流检测传感器信号、功率单元模块状态信息，所述全数字化同步电机矢量控制器输出信号为控制功率单元模块的PWM信号，所述PWM信号，由全数字化高压同步电机矢量器内三相光纤接口板处理，经光纤接口与各功率单元的UFC控制各相功率单元；所述全数字化同步电机矢量控制器根据上位监控系统频率给定值和速度反馈信号经DSP计算相比较，所述DSP计算出速度误差，然后在DSP中的比例、微分、积分器PID中进行调节，所述DSP输出转矩电流Iqref，所述三相电机的反馈电流是根据电机转子的位置θ经矢量变换后输出励磁电流Id、电枢电流Iq，所述励磁电流Id、电枢电流Iq与给定的Idref、Iqref进行比较，然后经DSP进行PID调节，再经DSP进行矢量变换后输出三相的PWM脉冲PWMA、PWMB、PWMC，所述三相PWM脉冲经移相处理后，经三相光纤接口板A、B、C输出到各功率单元控制电路UFC分别控制三相功率单元模块。

本发明所产生的技术效果在于：

解决现有技术不能实现的特点；

解决高压大功率同步电机变频器对电网的谐波污染问题；

解决高压大功率同步电机变频器的快速响应问题；

解决高压大功率同步电机变频器的恒转矩输出问题；

解决高压大功率同步电机变频器的调速比范围小的问题；

解决高压大功率同步电机变频器的四象限运行问题。

附图说明

图1是本发明的系统原理图；

图2是本发明的全数字化高压同步电机矢量控制器图；

图3是本发明的全数字化高压同步电机矢量控制软件结构图；

图4是本发明的速度环流程图；

图5是本发明的电流环流程图；

图6是本发明的能量回馈功率单元电气图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如附图1，本发明的高压同步电机全数字化矢量控制装置由以下技术特点和单元组成，三相高压电输入移相隔离变压器，经移相隔离降压多路交流输出后，输入到带能量回馈的功率单元模块，功率单元模块逆变输出到同步三相电机；安装在三相电机上的位置与速度传感器反馈的信号，经光传输器传送给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件经串并转换处理后，将信号传送给数字信号处理DSP进行数据运算处理；电流反馈信号经霍尔传感器采样，上传信号经模拟信号处理电路滤波处理后再上传给DSP，全数字化同步电机矢量控制器主控板上的AD进行采样并运算；DSP经全数字化同步电机矢量控制与上位监控进行实时数据通信，并向上位监控上报系统的各项运行参数和故障状态。

如附图1交直交的变频功能采用功率单元串联多电平方式。

采用交直交变频方式，变频器输出的频率调速范围宽，各级功率单元模块采用H全桥IGBT驱动方式，由于输出电平数较多，输出波形阶梯增多，就可以使调制波接近正弦，降低电压跳变，这样谐波就少。另一个优点是输出电压的dv/dt较小，对负载电机的冲击小。

如一些轧钢机、提升机、卷扬机，如果采用交交变频，必须加减速机构，而交直交可以在许可的范围内频率任意调解，这就解决了上述问题。

实现方法：变频器的三相输入高压(3000V.6000V.10000V)接到到移相隔离变压器的输入侧，经移相隔离变压器移相隔离降压副边多绕组交流输出，接到功率单元模块，功率单元模块输出驱动电机。

如图3所示全数字化高压同步电机矢量控制软件结构图

矢量控制的目的是为了改善三相电机转子转矩控制性能，而最终实施仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量(电压、电流、电动势、磁动势)在静止坐标系都是交流量，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于矢量坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察时，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值直流给定量。按照这些给定量实时控制，就能达到对直流电动机的控制功能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中，需用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在各坐标系之间的变换，交流同步电机的矢量控制，需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成Iα阿尔法(α)，Iβ贝它(β)两相静止坐标系(Clarke变换)，也叫三相-二相变换，再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系(Park变换)，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流；Iq相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标逆变换(Park逆变换)(Clarke逆变换)，实现对同步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁场，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交解耦控制。

同步电机采用改进的空间矢量磁场定向控制策略，控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，电流环采用PID调节器(P-比例，I-积分，-D微分)，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用PID调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。系统采用转速、电流双闭环调速系统；系统全数字式的关键是电流环数字化，就是把数模混合式变频系统中的模拟电流环，采用数字方式加以实现，其核心提高电流环的处理速度，达到或接近模拟电流环的响应速度。根据目前的数字信号处理器DSP、A/D器件的水平，可以满足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制软件的优化。良好的系统硬件和软件设计是使研制的系统达到实用化的保证，在满足性能要求的基础上，必须充分利用硬件资源，提高集成度降低硬件成本，达到产品化的目标。

矢量控制系统的解耦，速度给定n*(频率给定)与速度反馈n相减得出速度误差，速度误差经PID调节后输出转矩电流给定Iqref，Idref励磁电流给定是根据系统的动态需要进行调整，其值根据不同的电机和负载得出的经验值，电机三相电流反馈Ia、Ic、Ib(为Ia与Ic之和求反)经传感器采样，然后再根据转子位置电气角度θ进行Clarke变换，变换后输出Iα、Iβ，Iα、Iβ经Park变换输出Id、Iq，Id、Iq值与给定值Iqref、Idref求误差，进行PID调节后输出Vsqref、Vsdref，Vsqref、Vsdref和转子位置电气角度θ经过Park逆变换输出Vα、Vβ，Vα、Vβ经过Clarke逆变换输出电机定子三相电压Va、Vb、Vc值，三相电压Va、Vb、Vc值作为脉宽调制(PWM)的比较值比较，输出PWM波形到逆变器然后驱动电机旋转。

如附图2全数字化高压同步电机矢量控制硬件控制原理框图。

硬件主控实现部分：由数字信号处理电路DSP作为主控制电路，可编程逻辑电路实现部分算法的计算和波形发生及各种信号的处理，经AD采样处理后的电流电压反馈信号传到DSP，功率单元与DSP的通信采用光纤串行高速通信方式，功率单元的状态信息经可编程逻辑器件进行串行编码后通过光纤发送到DSP的接收端，DSP接收并进行串行到并行解码后传输到DSP进行信号处理；DSP根据功率单元状态信息，调整系统的控制状态；速度与位置传感器的信号经处理后，传输到DSP主控器板，DSP和可编程逻辑器件对传感器反馈的速度位置信号进行运算处理，测速方式采用变M/T测速，可以实现高精度的测速要求，DSP计算出速度和位置的有效值，并经传感器检测有无故障状态，上报到DSP，同时DSP可以根据测速的要求动态调整测速方式和时间；本系统中的电流检测元件选择了根据磁场补偿原理制成的霍尔效应电流互感器，以满足实时监测电流的要求，电机的三相电流信号经信号调理电路处理后，变成模拟电压信号输入到DSP主控板的AD转换芯片AD7865，该芯片可以在瞬时情况下对三相的电压电流信号进行采样保持并转换，这样能保证真实的再现电机瞬态三相电压电流的波形，AD7865采样完成后上传三相的数据；DSP与上位系统采用的是RS232通讯模式，实时的接收上位监控给定的各项参数设定值，并上报整个系统的运行状态和各项数据；DSP根据控制要求作出相应的执行控制；

如附图4是速度环流程图。

速度环中断处理流程，实时监测系统的转速信息，速度给定由人机界面设置输入，检测电机的运转状态和加减速时间的各项参数值计算出当前的速度给定，根据给定速度指令与速度反馈计算误差并进行比例、积分、(PI)调节，然后输出Iqref(转矩电流给定)，根据设定的转矩电流最大最小值限制Iqref值，输出Iqref到电流环做为转矩电流指令的给定。

如附图5是电流环流程图。

电流环中断处理流程，霍尔传感器检测Ia，Ic两相电流反馈值，计算出三相电流反馈值Ib，根据位置速度传感器反馈的转子位置计算当前转子的位置电角度θ，由Ia、Ib、Ic进行CLARKE输出Iα和Iβ，由Iα、Iβ进行PARK变换输出Iq、Id，根据速度环输出得转矩给定和去磁电流给定与反馈值求误差并进行PI调节输出Vq、Vd，由Vq、Vd进行PARK逆变换输出Vα、Vβ，由Vα、Vβ进行CLARKE逆变换输出Va、Vb、Vc，输出三相Va、Vb、Vc PWM的占空比值到可编程逻辑器件；驱动波形通过可编程逻辑器件的PWM波形发生模块输出到光纤驱动器，经光纤传输到各个功率单元控制IGBT的开关。

如附图6能量回馈单元原理图。

基于能量回馈的功率单元，普通高压变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管控整流器能量传输不可逆变，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了普通高压变频器的应用范围，基于能量反馈的系统解决上述问题，并且实现了真正的节能目标而不是浪费掉能量。

带能量回馈的功率单元，输入为移相隔离变压器副边降压绕组的三相，IGBT的控制信号为经光纤传输过来的PWM信号控制其导通和关断，输出经单元串联后到电机。

Claims

1.一种高压同步电机全数字化矢量控制装置，包括：高压输入移相隔离变压器、带能量回馈的功率单元模块，将所述率单元相互串联实现三相高压变频输出，其特征在于：所述高压同步电机全数字化矢量控制装置还包括由数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件和相关外围电路组成的全数字化高压同步电机矢量控制器、与被控高压同步电机同轴相连的转子位置及速度反馈编码器、变频器输出电流检测传感器、单元控制电路UFC；所述外围电路包括光纤接口、上位监控系统；所述上位监控系统是用于给定频率，接收控制系统的上报信息。

2.如权利要求1所述的高压同步电机全数字化矢量控制装置，其特征在于：所述高压输入移相隔离变压器副边采用延边三角型移相隔离降压共18绕组输出，18组分成三相每相六组，每相绕组彼此移相10°，其输入为高压三相交流电，经移相隔离降压输出后输出三相低压交流电压连接到所述的功率单元模块输入端R、S、T。

3.如权利要求1所述的高压同步电机全数字化矢量控制装置，其特征在于：所述带能量回馈的功率单元模块的三相交流输入电压R、S、T端为移相隔离变压器的输出，经过电容器、电感器缓冲和滤波环节连接到三相同步整流绝缘栅双极性晶体管IGBT上，同步整流后经电容、电阻滤波成直流电压，再经4个IGBT连接成H桥进行电压逆变，对所述逆变IGBT的控制是由全数字化高压同步电机矢量控制器中的脉宽调制器PWM发出的信号经光纤发送到单元控制电路UFC控制H桥的逆变。

4.如权利要求1所述的高压同步电机全数字化矢量控制装置，其特征在于：所述的功率单元模块采用串联连接方式，每个功率单元模块的输入为R、S、T端，每个功率单元模块的输出为L1、L2，每个单元模块的L1与上一级同相的功率单元模块的L2相连接，在最顶层三相功率单元模块的L1连接到一起成中性点N，各相最底层功率单元的L2作为变频器输出。

5.如权利要求1所述的高压同步电机全数字化矢量控制装置，其特征在于：所述速度与位置传感器的旋转部分与电机转子同轴相连，固定部分与电机座相连，位置及速度信号传输给全数字化高压同步电机矢量控制器。

6.如权利要求1或3所述的高压同步电机全数字化矢量控制装置，其特征在于：所述全数字化高压同步电机矢量控制器，其输入信号为上位监控系统频率给定值n^*、高压同步电机同轴相连的转子位置及速度反馈编码器信号经位置速度处理电路生成转速n和转子位置信号θ、变频器输出电流检测传感器信号、功率单元模块状态信息，所述全数字化同步电机矢量控制器输出信号为控制功率单元模块的PWM信号，所述PWM信号，由全数字化高压同步电机矢量器内三相光纤接口板处理，经光纤接口与各功率单元的UFC控制各相功率单元；所述全数字化同步电机矢量控制器根据上位监控系统频率给定值和速度反馈信号经DSP计算相比较，所述DSP计算出速度误差，然后在DSP中的比例、微分、积分器PID中进行调节，所述DSP输出转矩电流Iqref，所述三相电机的反馈电流是根据电机转子的位置θ经矢量变换后输出励磁电流Id、电枢电流Iq，所述励磁电流Id、电枢电流Iq与给定的Idref、Iqref进行比较，然后经DSP进行PID调节，再经DSP进行矢量变换后输出三相的PWM脉冲PWMA、PWMB、PWMC，所述三相PWM脉冲经移相处理后，经三相光纤接口板A、B、C输出到各功率单元控制电路UFC分别控制三相功率单元模块。