CN101145746A - 基于转矩控制的变频软启动策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于转矩控制的变频软启动策略，其特征在于其包括：采样电动机定子三相电压，并将三相静止坐标系的电压值转换到两相静止坐标系；采样电动机定子三相电流，并将三相静止坐标系的电流值转换到两相静止坐标系；通过依据交直交变频器直流环节电压和开关状态进行积分、并无需电压检测的磁链观测器进行磁链观测；通过转矩观测器进行转矩观测；进行基于磁通控制和转矩控制的软启动半导体开关算法；进行SVPWM算法，即空间电压矢量脉宽调制算法；进行处于启动状态的判别算法。本发明解决了开环型变频器在负载惯量大时启动电流大的问题，降低大惯量负载的启动电流以及预留的前端电源设计裕量，提高了其可靠性。

Description

基于转矩控制的变频软启动策略

技术领域

本发明涉及电力拖动技术，尤其是涉及一种异步电动机控制技术。属于电机及电力拖动技术领域。

背景技术

变频器应用具有降低异步电动机启动电流的作用，以实现软启动功能。普通异步电机的正常启动电流为额定电流的7-8倍，当使用通用变频器拖动后，启动电流可以降低至额定电流的1-2倍。但针对惯量特别大的负载，如重量较大的风机、重物提升等负载，开环型的通用变频器拖动电机在启动时电流依旧较大，甚至超过两倍的额定电流值而导致变频器的过流保护。因此可以得出结论：通用变频器启动特性在负载惯量较大时仍不够理想。具体表现为启动时保护动作频繁，前端变压器的容量必须超过变频器和电动机的额定容量，造成设备资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于针对以上现有技术存在的缺点，提供一种基于磁链观测和转矩观测的小计算量变频器启动算法，改善目前开环型变频器在启动时由于转矩不受控而导致的大惯量负载启动电流偏大的问题的基于转矩控制的变频软启动策略。

为了达到以上目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种基于转矩控制的变频软启动策略，其特征在于其包括：

(1)、采样电动机定子三相电压，并将三相静止坐标系的电压值转换到两相静止坐标系；

(2)、采样电动机定子三相电流，并将三相静止坐标系的电流值转换到两相静止坐标系；

(3)、通过依据交直交变频器直流环节电压和开关状态进行积分、并无需电压检测的磁链观测器进行磁链观测；

(4)、通过转矩观测器进行转矩观测；

(5)、进行基于磁通控制和转矩控制的软启动半导体开关算法；

(6)、进行SVPWM算法，即空间电压矢量脉宽调制算法；

(7)、进行处于启动状态的判别算法；

所述的三相电压从三相静止坐标系至两相静止坐标系变换的输入接口为直流环节电压和开关状态，输出接口为磁链观测环节；所述的磁链观测器的输入接口与电压坐标变换环节相连；所述的三相电流从三相静止坐标系至两相静止坐标系的变换环节的输入接口为电机三相电流采样信号；所述的转矩观测器的输入接口为磁链观测值与两相静止坐标系下的变频器输出电流值；所述的软启动半导体开关算法的输入接口为由经两点式调节器处理磁链与转矩偏差量后的输出接口；所述的处于启动状态的判别算法的输入接口为SVPWM算法与软启动半导体开关算法的输出接口，处于启动状态的判别算法的输出接口为半导体器件驱动接口。

前述的基于转矩控制的变频软启动策略，其特征在于所述的变频器在启动时采用针对启动的磁链与转矩闭环算法，启动完成后采用通用算法。

前述的基于转矩控制的变频软启动策略，其特征在于所述的软启动半导体开关算法中，以六边形矢量为选取对象，不进行矢量合成，磁链控制滞环宽度较转矩控制滞环宽度宽。

本技术是基于简单的磁链观测电压模型，在启动过程中实现磁链观测和转矩观测，实现负载启动时的磁链闭环控制和转矩闭环控制。因为该算法仅在电机启动时使用，持续时间短，不存在积分器的使用而导致的严重积累误差。同时，磁链观测器仅相当与一个电压纯积分器，算法简单，计算量小。由于该技术的目的是为了减小电机的启动电流，所以转矩观测的目的不是为了进行精确的转矩控制，以致对于电流采样和磁链计算值的处理无须设计要求严格的滤波器，因此该技术是以较小的CPU计算量来实现优化的电机软启动。

本发明可进一步提高目前开环型通用变频器启动时的安全可靠性、进一步降低大惯量负载的启动电流、进一步降低由于启动电流超过额定值而预留的前端电源设计裕量。

附图说明

图1为本发明所采用变频逆变器控制硬件原理图；

图2为基于转矩控制和磁链控制的变频软启动算法系统图；

图3为逆变器空间电压矢量。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作具体的介绍如下：

图1为本发明所采用变频逆变器控制硬件原理图，如图所示，V1-V6为变频器开关器件，DC为逆变器的直流供电环节，G为半导体开关器件的驱动输入端口，CTU、CTV、CVW为变频器输出的电流传感器。

图2为基于转矩控制和磁链控制的变频软启动算法系统图，如图所示，在转矩控制启动模式下，采样电动机M的定子三相电流，并将三相静止坐标系的电流值转换到两相静值坐标系，同时将三相静止坐标系的输出电压值转换到两相静止坐标系。具体计算方法如公式(1)和公式(2)所式。图中T_e ^*为转矩给定值、Ψ^*为定子磁链给定值。

$[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_0\end{array}]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

$[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\\ u_0\end{array}]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

磁链观测由定子电压模型观测可得ψ＝∫(u-i·R)dt。

电磁转矩观测由公式 $T_e=\frac{3}{2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}})$

公式中各量定义如下：

i_a：定子a相电流幅值；

i_b：定子b相电流幅值；

i_c：定子c相电流幅值；

u_a：定子a相电压幅值；

u_b：定子b相电压幅值；

u_c：定子c相电压幅值；

i_α：两相静止坐标系下α轴电流分量；

i_β：两相静止坐标系下β轴电流分量；

i_sα：两相静止坐标系下定子α轴电流分量；

i_sβ：两相静止坐标系下定子β轴电流分量；

u_α：两相静止坐标系下α轴电压分量；

u_β：两相静止坐标系下β轴电压分量；

u：空间电压矢量；

i：空间电流矢量；

R：定子电阻；

T_e：电磁转矩；

ψ_sα：两相静止坐标系下α轴磁链分量；

ψ_sβ：两相静止坐标系下β轴磁链分量；

磁链和转矩控制策略采用Bang-bang控制，控制策略如下详细描述：

令θ_ψ为磁链空间矢量角度，选取磁链控制优先级高于转矩控制优先级，为保证转矩响应速度，设定磁链控制器滞环宽度宽于转矩控制器滞环。令磁链增加标志为f1_ψ，磁链减小标志为f2_ψ，转矩增加标志为T1，转矩减小标志为T2。逆变器空间电压矢量如图3所示，磁链控制矢量电压选取策略见表1，转矩控制矢量电压选取策略见表2。此软启动半导体开关算法共有大优点：1、以六边形矢量为选取对象，不进行矢量合成的运算，计算量小；2、基于转矩控制的软启动方式使得对于大惯量的负载优势明显；3、算法模型简单，易于实现。

θψ	f1ψ	f2ψ	矢量选择
				(0，π/3]	1	0	u2
0	1	u5
			(π/3，2π/3]		1	0	u3
0	1	U6
				(2π/3，π]	1	0	u4
0	1	u1
			(π，4π/3]		1	0	u5
0	1	u2
				(4π/3，5π/3]	1	0	u6
0	1	u3
			(5π/3，2π]		1	0	u1
0	1	u4

    表1  磁链控制电压矢量选取表

θψ	T1	T2	矢量选择
				(0，π/3]	1	0	u3
0	1	u0
			(π/3，2π/3]		1	0	u4
0	1	u0
				(2π/3，π]	1	0	u5
0	1	u0
			(π，4π/3]		1	0	U6
0	1	u0
				(4π/3，5π/3]	1	0	u1
0	1	u0
			(5π/3，2π]		1	0	U2
0	1	u0

表2  转矩控制电压矢量选取表

以上已以较佳实施例公布本发明如上，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于转矩控制的变频软启动策略，其特征在于其包括：

(1)、采样电动机定子三相电压，并将三相静止坐标系的电压值转换到两相静止坐标系；

(2)、采样电动机定子三相电流，并将三相静止坐标系的电流值转换到两相静止坐标系；

(3)、通过依据交直交变频器直流环节电压和开关状态进行积分、并无需电压检测的磁链观测器进行磁链观测；

(4)、通过转矩观测器进行转矩观测；

(5)、进行基于磁通控制和转矩控制的软启动半导体开关算法；

(6)、进行SVPWM算法，即空间电压矢量脉宽调制算法；

(7)、进行处于启动状态的判别算法；

所述的三相电压从三相静止坐标系至两相静止坐标系变换的输入接口为直流环节电压和开关状态，输出接口为磁链观测环节；所述的磁链观测器的输入接口与电压坐标变换环节相连；所述的三相电流从三相静止坐标系至两相静止坐标系的变换环节的输入接口为电机三相电流采样信号；所述的转矩观测器的输入接口为磁链观测值与两相静止坐标系下的变频器输出电流值；所述的软启动半导体开关算法的输入接口为由经两点式调节器处理磁链与转矩偏差量后的输出接口；所述的处于启动状态的判别算法的输入接口为SVPWM算法与软启动半导体开关算法的输出接口，处于启动状态的判别算法的输出接口为半导体器件驱动接口。

2.根据权利要求1所述的基于转矩控制的变频软启动策略，其特征在于所述的变频器在启动时采用针对启动的磁链与转矩闭环算法，启动完成后采用通用算法。

3.根据权利要求1所述的基于转矩控制的变频软启动策略，其特征在于所述的软启动半导体开关算法中，以六边形矢量为选取对象，不进行矢量合成，磁链控制滞环宽度较转矩控制滞环宽度宽。