CN101272126A - 双馈电机的全速范围控制方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种双馈电机的全速范围控制方法及控制装置，采用转子侧变频矢量控制方法，通过给定转速与实际转速进行调节，实现转矩电流和励磁电流的解耦控制；另外采用了二极管钳位式的背靠背双三电平变频器，在全速范围内转差功率能通过变频器双向流动，大大提高了节能效果。该方法能在获得快速的电机力矩响应的同时使装置对电网的影响降至最低，在整个控制过程中，装置在电网接入点电压、电流畸变率小，电机定子侧单位功率因数运行，减小了对电网的无功冲击，变频器开关频率低，减小了系统发热，提高了变频器效率。其方法简单，装置结构紧凑，易于装配，操作方便，在本技术领域内具有广泛的实用性。

Description

双馈电机的全速范围控制方法及控制装置
技术领域
本发明涉及双馈电机的全速范围控制方法及控制装置，尤其适用于驱动矿井提升机高压绕线异步电动机。
背景技术
目前在国内的矿山行业中，大多数矿井提升机系统采用高压绕线异步电动机作为主拖动电机。为对这种高压绕线异步电动机进行调速，使用得较多的方法有两种：1、高压绕线电机转子串电阻，通过逐级切除电阻进行速度调节；2、高压绕线电机转子串电阻，低频时采用定子侧变频(VVVF)进行调速。由于转子串电阻的调速方式为有级调速，在调速过程中转速有突变，机械冲击较大，在此调速方式下，转差功率以发热的形式消耗，造成电能浪费；另外低频采用定子变频(VVVF)方式调速虽然可减小低速段的转差功率的消耗，但此调速方式并不能在全速范围内减小转差功率的消耗。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种方法简单、操作方便、结构紧凑、节省能源，性能可靠，控制效果好的双馈电机的全速范围控制方法及控制装置。
本发明双馈电机的全速范围控制方法：
a.双馈电机启动前通过测量的定子、转子电压辨识电机转子位置角；
b.电机转子位置角辨识完毕以后，通过变频器对电机进行控制；
c.变频器依据给定的电机转速以及定子侧功率因数指标调节输出电压幅植和频率，直到电机转速和定子功率因数达到设计要求为止。
所述变频器的输入电源为由定子绕组经过变压器后的三相交流电源；所述双馈电机的转速在零速至电机机械许可条件下的最高转速内连续、无级地调节；所述双馈电机的定子侧功率因数根据实际要求从-1至1连续可调；所述双馈电机通过变频器采用矢量控制实现四象限运行。
本发明双馈电机的全速范围控制装置，主要由变压器、三相电抗器、变频器、双馈电机、三相高压换相装置、三相交流电源和速度传感器构成，其中双馈电机的定子绕组通过三相高压换相装置连接至三相投切开关，然后连接至三相交流电源；变频器同时连接至双馈电机的转子线组和三相电抗器，三相电抗器连接至三相投切开关，然后接至变压器二次侧，变压器的一次侧接至三相交流电源，三相投切开关与三相电抗器之间设有电压、电流检测装置，变频器与双馈电机之间设有电压、电流检测装置，双馈电机与三相高压换相装置之间设有电压、电流检测装置，检测得到的信号送入变频器内部的控制器进行运算，速度传感器装在双馈电机的转子轴上；所述的变频器为二极管钳位式的背靠背双三电平结构
本发明双馈电机的全速范围控制方法及控制装置，采用转子侧变频矢量控制方法，通过给定转速与实际转速进行调节，实现转矩电流和励磁电流的解耦控制；另外采用了二极管钳位式的背靠背双三电平变频器，在全速范围内转差功率能通过变频器双向流动，大大提高了节能效果。该方法能在获得快速的电机力矩响应的同时使装置对电网的影响降至最低，调速平滑、无级，对系统机械冲击小，能使系统接入点电网电压、电流畸变率低，且提高了系统功率因数，使功率因数接近1。其方法简单，装置结构紧凑，易于装配，操作方便，具有广泛的实用性。
附图说明
附图为本发明双馈电机的全速范围控制装置结构图。
图中：1-三相变压器；2-三相投切开关；3-电压、电流检测装置；4-三相电抗器；5-变频器；6-电压、电流检测装置；7-双馈电机；8-电压、电流检测装置；9-三相高压换相装置；10-三相投切开关；11-三相交流电源；12-速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明中的一个实施例作进一步的描述：
本发明的双馈电机全速范围调速控制方法，首先选定双馈电机7功率为1000kW，频率为50Hz，额定转速为590rpm，定子电压为6000V，定子电流为118A，转子电压为1166V，转子电流为536A；三相变压器参数为6000/1000V；三相电抗器参数为1.2mH；变频器5采用二极管钳位式的背靠背双三电平变频器，具体步骤如下：
1.在零时刻，变频器5的预充电路开始工作，将直流母线电压充至设定值；
2.直流母线电压达到设定值后，变频器5的三电平可控整流器投入运行，按照给定电压2000V经过电压、电流双闭环控制后将直流母线电压调节至2000V；
3.变频器5的控制器通过测量双馈电机7的定子、转子电压辨识电机转子位置角；
4.电机转子位置角辨识完成后，变频器5的三电平逆变器投入运行，根据给定的速度经过速度、电流双闭环控制后，将双馈电机7的转速调节至给定值。
变频器5的三电平可控整流器在预充电完毕之后进入工作状态。三电平可控整流器进行电网电压定向后再加以前馈补偿，实现了有功、无功电流的完全解耦。通过给定的直流电压Udc *与电压传感器检测得到的实际直流电压Udc进行偏差运算，把运算所得的偏差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出值作为有功电流的给定Id *。有功电流的反馈值为检测所得的电流值经过3/2变换及旋转变换后的Id，通过Id *和Id的偏差运算，偏差值输入到PI调节器后，PI调节器的输出再结合前馈补偿值进行运算，最终得到PWM整流器的给定电压Ud *；无功电流Iq *可根据实际需要设置成常值或者变量，通过与反馈的无功电流Iq进行偏差运算，将偏差结果输入PI调节器，PI调节器的输出再结合前馈补偿值进行运算，最终得到PWM整流器的给定电压Uq *。获得给定电压Ud *、Uq *后，将这两个电压进行旋转变换，变换到两相静止坐标系下，作为三电平SVPWM波形发生器的输入，三电平SVPWM波形发生器产生的PWM波形信号驱动三电平可控整流器，最终获得给定的直流电压。
变频器5的三电平逆变器在三电平可控整流器建立起直流电压之后开始进入运行状态。对双馈电机7进行定子磁链定向后再加以前馈补偿，实现了电机转子有功、无功电流的完全解耦。三电平逆变器的控制器先由检测到的电压量进行电机转子位置的观测，获取转子位置后，三电平逆变器的控制器通过给定的电机速度ωr *与速度传感器12检刻得到的电机实际转速ωr进行偏差运算，把运算所得的偏差值作为PI调节器的输入，PI调节器的输出值作为有功电流的给定Irq *。有功电流的反馈值为检测所得的电流值经过3/2变换及旋转变换后的Irq，通过Irq *和Irq的偏差运算，偏差值输入到PI调节器后，PI调节器的输出再结合前馈补偿值进行运算，最终得到三电平逆变器的给定电压Urq *；无功电流Ird *可根据实际需要设置成常值或者变量，通过与反馈的无功电流Ird进行偏差运算，将偏差结果输入PI调节器，PI调节器的输出再结合前馈补偿值进行运算，最终得到三电平逆变器的给定电压Urd *。获得给定电压Urd *、Urq *后，将这两个电压进行旋转变换，变换到两相静止坐标系下，作为三电平SVPWM波形发生器的输入，三电平SVPWM波形发生器产生的PWM波形信号驱动三电平逆变器，最终获得给定的转速。
附图所示，本发明双馈电机的全速范围控制装置，主要由变压器1、三相电抗器4、变频器5、双馈电机7、三相高压换相装置9、三相交流电源11和速度传感器12构成，其中变频器5为二极管钳位式的背靠背双三电平变频器。双馈电机7的定子绕组通过三相高压换相装置9连接至三相投切开关10，然后连接至三相交流电源11；变频器5同时连接至双馈电机7的转子线组和三相电抗器4，三相电抗器4连接至三相投切开关2，然后接至变压器1二次测，变压器1的一次侧接至三相交流电源11，三相投切开关2与三相电抗器4之间设有电压、电流检测装置3，变频器5与双馈电机7之间设有电压、电流检测装置6，双馈电机7与三相高压换相装置9之间设有电压、电流检测装置8，检测得到的信号送入变频器5内部的控制器进行运算，速度传感器12装在双馈电机7的转子轴上。

Claims (7)

1、一种双馈电机的全速范围控制方法，其特征在于：
a.双馈电机(7)启动前通过测量的定子、转子电压辨识电机转子位置角；
b.电机转子位置角辨识完毕以后，通过变频器(5)对电机进行控制；
c.变频器(5)依据给定的电机转速以及定子侧功率因数指标调节输出电压幅植和频率，直到电机转速和定子功率因数达到设计要求为止。
2、按照权利要求1中所述的双馈电机的全速范围调速方法，其特征在于：所述变频器(5)的输入电源为由定子绕组经过变压器后的三相交流电源。
3、按照权利要求1中所述的双馈电机的全速范围调速方法，其特征在于：双馈电机(7)的转速在零速至电机机械许可条件下的最高转速内连续、无级地调节。
4、按照权利要求1中所述的双馈电机的全速范围调速方法，其特征在于：双馈电机(7)的定子侧功率因数根据实际要求从-1至1连续可调。
5、按照权利要求1中所述的双馈电机的全速范围调速方法，其特征在于：双馈电机(7)通过变频器(5)采用矢量控制实现四象限运行。
6、一种双馈电机的全速范围控制装置，其特征在于：主要由变压器(1)、三相电抗器(4)、变频器(5)、双馈电机(7)、三相高压换相装置(9)、三相交流电源(11)和速度传感器(12)构成，双馈电机(7)的定子绕组通过三相高压换相装置(9)连接至三相投切开关(10)，然后连接至三相交流电源(11)；变频器(5)同时连接至双馈电机(7)的转子线组和三相电抗器(4)，三相电抗器(4)连接至三相投切开关(2)，然后接至变压器(1)二次侧，变压器(1)的一次侧接至三相交流电源(11)，三相投切开关(2)与三相电抗器(4)之间设有电压、电流检测装置(3)，变频器(5)与双馈电机(7)之间设有电压、电流检测装置(6)，双馈电机(7)与三相高压换相装置(9)之间设有电压、电流检测装置(8)，检测得到的信号送入变频器(5)内部的控制器进行运算，速度传感器(12)装在双馈电机(7)的转子轴上。
7、按照权利要求6中所述的双馈电机的全速范围控制装置，其特征在于：所述的变频器(5)为二极管钳位式的背靠背双三电平结构。
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