CN101577515B - 多台交流同步电机串联运行的同步与负荷平衡控制系统 - Google Patents

Abstract

一种多台交流同步电机串联运行的同步与负荷平衡控制系统，属于电力电子与交流传动技术领域。该系统包括：速度传感器、位置检测器、交流同步电机、励磁控制装置、变频器、脉冲触发装置、矢量控制系统、负荷平衡控制装置和同步综合控制装置；其特征在于：所有交流同步电机同轴刚性串联；轴上只安装了一个位置检测器和一个速度传感器；所有交流同步电机均具有独立的矢量控制系统、具有独立的变频器、励磁控制装置及脉冲触发装置。优点在于，充分利用了矢量控制系统的电流环的快速响应特性，保证了同轴串联的多台交流同步电机间的负荷平衡与快速性。

Description

多台交流同步电机串联运行的同步与负荷平衡控制系统

技术领域

本发明属于电力电子与交流传动技术领域，特别是提供了一种多台交流同步电机串联运行的同步与负荷平衡控制系统。

背景技术

在高压大功率场合，为了减小机械设备的转动惯量，加快过渡过程并减小过渡过程中的能量损耗，以及在很多超大容量同步电机应用场合，由于超大容量的同步电机难于制造，经常采用多台交流同步电机的同轴串联运行。这种多电机传动系统的关键是解决好同步控制和负荷平衡问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多台交流同步电机串联运行的同步与负荷平衡控制系统，解决了同步控制和负荷平衡问题。

本发明的系统包括：速度传感器、位置检测器、交流同步电机、励磁控制装置、变频器、脉冲触发装置、矢量控制系统、负荷平衡控制装置和同步综合控制装置。图1为多台交流同步电机串联运行的同步与负荷平衡控制系统及其方法的结构图。1#交流同步电机、2#交流同步电机、3#交流同步电机…所有交流同步电机(交流同步电机为2～5台)同轴刚性串联；轴上只安装了一个位置检测器和一个速度传感器；1#交流同步电机、2#交流同步电机、3#交流同步电机…所有交流同步电机均具有独立的矢量控制系统、具有独立的变频器、励磁控制装置及脉冲触发装置；由速度传感器得到速度值，输入速度调节器得到力矩给定值，然后，由各台交流同步电机各自的实际电流值和磁链值输入负荷平衡控制装置，得到各台交流同步电机的实际力矩值，再在负荷平衡控制装置中将输入的给定力矩值与各台交流同步电机的实际力矩值进行分析、计算，输出各台交流同步电机各自所需的力矩给定值，输入到各台交流同步电机的矢量控制系统中的给定模块，保证了同轴串联的多台交流同步电机运行时负荷平衡；将位置检测器得到检测器零位角与各交流同步电机的矢量控制系统中的电压电流检测计算模块输出的角度输入同步综合控制装置，得到各台交流同步电机的转子位置角，将各台交流同步电机的转子位置角输入到各台交流同步电机矢量控制系统中的旋转变换模块，使同轴串联运行的多台交流同步电机保持同步；各台交流同步电机的矢量控制系统的输出作为脉冲触发装置的输入，由脉冲触发装置产生脉冲接入各台变频器，各台变频器的输出独立控制各台交流同步电机运行，励磁控制装置用于给各台交流同步电机的励磁绕组供电及实现磁场定向控制。

负荷平衡问题是多台交流同步电机的同轴串联运行所必须解决的问题，如果不能保证负荷平衡，则会造成各个电机输出电流的不同，进而破坏整个系统。

图2为两台交流同步电机同轴串联运行时的负荷平衡控制的结构图。两台同轴串联的交流同步电机共用一个速度调节器，根据速度调节器的输出得到力矩给定值M^*，然后将M^*输入负荷平衡控制装置；1#交流同步电机的实际电流i_a1、i_b1、i_c1经3/2变换模块得到i_α1、i_β1，由i_α1、i_β1经旋转变换(VD)模块得到实际力矩电流值i_st1，然后将i_st1输入负荷平衡控制装置；2#交流同步电机的实际电流i_a2、i_b2、i_c2经3/2变换模块得到i_α2、i_β2，由i_α2、i_β2经旋转变换(VD)模块得到实际力矩电流值i_st2，然后将i_st2输入负荷平衡控制装置；将力矩阈值给定值ΔM^*输入负荷平衡控制装置，ΔM^*可通过控制系统调节。

负荷平衡控制装置利用1#交流同步电机的实际力矩电流反馈值i_st1与实际磁链值ψ₁做乘，得到力矩实际值

同理，利用2#交流同步电机的实际力矩电流反馈值i_st2与实际磁链值ψ₂做乘，得到力矩实际值

然后将两台交流同步电机的力矩实际值做差，即 $\mathrm{\ΔM}={\hat{M}}_1-{\hat{M}}_2,$ 得到两台交流同步电机的实际力矩差值ΔM，如果实际力矩差值大于力矩阈值ΔM^*，则根据规则调整负荷平衡控制装置的输出两台交流同步电机的力矩给定值M₁ ^*、M₂ ^*，调整规则为： $M_n^{*}=M^{*}\±k_n\mathrm{\Δ}{M}_n.$ 当两台交流同步电机同轴串联运行时，通过负荷平衡控制装置得到两台交流同步电机的实际力矩差值，并与给定力矩阈值相比较，按照 $M_n^{*}=M^{*}\±k_n\mathrm{\Δ}{M}_n$ 规则，增大或减小相应交流同步电机的力矩给定值，使同轴串联运行的两台交流同步电机负荷达到平衡。同理，可将此控制方法推广到多台交流同步电机串联运行的系统中。

本发明的优点在于：同轴串联的多台交流同步电机共用单个速度环，消除了若启用多个速度环后，由于各个速度反馈差异所引起的各种问题，同时通过负荷平衡控制装置对给定力矩值分别控制，充分利用了矢量控制系统的电流环的快速响应特性，保证了同轴串联的多台交流同步电机间的负荷平衡与快速性。

同轴串联的各台交流同步电机虽然型号一致，但由于机械安装原因，各交流同步电机的磁极不一致。同步综合控制装置实现了采用一个位置检测器得到同轴串联的多台交流同步电机矢量控制所需的旋转角的方法，保证了多台交流同步电机的同步运行。

附图说明

图1为多台同步电机串联运行同步与负荷平衡控制系统及方法的结构图。其中速度传感器1、位置检测器2、交流同步电机3、励磁控制装置4、变频器5、脉冲触发装置6、矢量控制系统7、负荷平衡控制装置8、同步综合控制装置9。

图2为两台交流同步电机串联运行负荷平衡控制结构图。

图3为两台交流同步电机串联运行同步综合控制结构图

具体实施方式

本发明在我国第一套国产大型提升机全自动化、全数字交交变频双机拖动系统中得到成功应用。

交流同步电机参数如下：

容量：    2台*3000KW

电压：    1500V

电流：    1212.5A

转速：    40.2r/min

频率：    8.04Hz

极数：    12

过载倍数：2倍/1分钟

励磁电流：323A

励磁电压：267V

电机的力矩公式M＝ψ×I，在电流相等而磁通不相等情况下，电机力矩是不相等的，出现负荷不平衡问题。本系统引入了负荷平衡控制环节。控制框图如图2所示。

在提升机双机运行时，负荷平衡控制环节通过电机的磁通和电流实际值时刻监测两台电机的力矩，当两台电机的力矩之间的差值超过3％(即ΔM^*＝3％)时，负荷平衡控制环节投入，调整电机的力矩给定值，实现在一定检测精度下两台电机的转矩平衡，本系统是通过双向调节，即加大力矩小的电机的力矩给定值的同时，减小力矩大的电机的力矩给定值，达到两台电机的转矩平衡，即负荷平衡。

同时，提升机调速系统的双机同步问题通过本发明的同步综合控制环节得到很好解决。

图2为两台交流同步电机同轴串联运行时的负荷平衡控制的结构图。两台同轴串联的交流同步电机共用一个速度调节器，根据速度调节器的输出得到力矩给定值M^*，然后将M^*输入负荷平衡控制装置；1#交流同步电机的实际电流i_a1、i_b1、i_c1经3/2变换模块得到i_α1、i_β1，由i_α1、i_β1经旋转变换(VD)模块得到实际力矩电流值i_st1，然后将i_st1输入负荷平衡控制装置；2#交流同步电机的实际电流i_a2、i_b2、i_c2经3/2变换模块得到i_α2、i_β2，由i_α2、i_β2经旋转变换(VD)模块得到实际力矩电流值i_st2，然后将i_st2输入负荷平衡控制装置；将力矩阈值给定值ΔM^*输入负荷平衡控制装置，ΔM^*可通过控制系统调节。

负荷平衡控制装置利用1#交流同步电机的实际力矩电流反馈值i_st1与实际磁链值ψ₁做乘，得到力矩实际值同理，利用2#交流同步电机的实际力矩电流反馈值i_st2与实际磁链值ψ₂做乘，得到力矩实际值然后将两台交流同步电机的力矩实际值做差，即 $\mathrm{\ΔM}={\hat{M}}_1-{\hat{M}}_2,$ 得到两台交流同步电机的实际力矩差值ΔM，如果实际力矩差值大于力矩阈值ΔM^*，则根据规则调整负荷平衡控制装置的输出两台交流同步电机的力矩给定值M₁ ^*、M₂ ^*，调整规则为： $M_n^{*}=M^{*}\±k_n\mathrm{\Δ}{M}_n.$ 当两台交流同步电机同轴串联运行时，通过负荷平衡控制装置得到两台交流同步电机的实际力矩差值，并与给定力矩阈值相比较，按照 $M_n^{*}=M^{*}\±k_n\mathrm{\Δ}{M}_n$ 规则，增大或减小相应交流同步电机的力矩给定值，使同轴串联运行的两台交流同步电机负荷达到平衡。同理，可将此控制方法推广到多台交流同步电机串联运行的系统中。

图3为两台交流同步电机串联运行的同步综合控制结构图。

给1#交流同步电机转子通电，即1#交流同步电机励磁电流i_f1接入，2#交流同步电机不通电。在1#交流同步电机定子端产生感应电势e_a1、e_b1、e_c1，将此感应电势送入1#交流同步电机矢量控制系统中的电压电流检测计算环节中，得到感应电势与α轴的夹角

给2#交流同步电机转子通电，即2#交流同步电机励磁电流i_f2接入，1#交流同步电机不通电。在2#交流同步电机定子端产生感应电势e_a2、e_b2、e_c2，将此感应电势送入2#交流同步电机矢量控制系统中的电压电流检测计算环节中，得到感应电势与α轴的夹角

交流同步电机运转后，通过轴上安装的位置检测器可得到位置检测器零位与α轴的夹角λ₀；

将 λ₀输入同步综合控制装置，并由θ角计算模块，得到1#交流同步电机的转子位置角θ₁和2#交流同步电机的转子位置角θ₂，再经θ角记忆模块对θ₁和θ₂角记忆。在1#交流同步电机和2#交流同步电机随后的启动以及矢量控制运行中，θ₁和θ₂固定不变，1#交流同步电机、2#交流同步电机各自的矢量控制系统中的旋转变换模块所需的旋转角分别为和

按照规则

得到。

此两台交流同步电机串联的同步控制方法可推广到多台交流同步电机串联的同步控制中。

Claims (4)

1.一种多台交流同步电机串联运行的同步与负荷平衡控制系统，包括：速度传感器、位置检测器、交流同步电机、励磁控制装置、变频器、脉冲触发装置、矢量控制系统、负荷平衡控制装置和同步综合控制装置；其特征在于：所有交流同步电机同轴刚性串联；轴上只安装了一个位置检测器和一个速度传感器；所有交流同步电机均具有独立的矢量控制系统、具有独立的变频器、励磁控制装置及脉冲触发装置；由速度传感器得到速度值，输入速度调节器得到力矩给定值，然后，由各台交流同步电机各自的实际电流值和磁链值输入负荷平衡控制装置，得到各台交流同步电机的实际力矩值，再在负荷平衡控制装置中将输入的给定力矩值与各台交流同步电机的实际力矩值进行分析、计算，输出各台交流同步电机各自所需的力矩给定值，输入到各台交流同步电机的矢量控制系统中的给定模块，保证了同轴串联的多台交流同步电机运行时负荷平衡；将位置检测器得到的检测器零位角与各交流同步电机的矢量控制系统中的电压电流检测计算模块输出的角度输入同步综合控制装置，得到各台交流同步电机的转子位置角，将各台交流同步电机的转子位置角输入到各台交流同步电机矢量控制系统中的旋转变换模块，使同轴串联运行的多台交流同步电机保持同步；各台交流同步电机的矢量控制系统的输出作为脉冲触发装置的输入，由脉冲触发装置产生脉冲接入各台变频器，各台变频器的输出独立控制各台交流同步电机运行，励磁控制装置用于给各台交流同步电机的励磁绕组供电及实现磁场定向控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的交流同步电机为2～5台。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：两台同轴串联的交流同步电机共用一个速度调节器，根据速度调节器的输出得到力矩给定值M^*，然后将M^*输入负荷平衡控制装置；1#交流同步电机的实际电流i_a1、i_b1、i_c1经3/2变换模块得到i_α1、i_β1，由i_α1、i_β1经旋转变换(VD)模块得到实际力矩电流值i_st1，然后将i_st1输入负荷平衡控制装置；2#交流同步电机的实际电流i_a2、i_b2、i_c2经3/2变换模块得到i_α2、i_β2，由i_α2、i_β2经旋转变换(VD)模块得到实际力矩电流值i_st2，然后将i_st2输入负荷平衡控制装置；将力矩阈值给定值ΔM^*输入负荷平衡控制装置，ΔM^*可通过控制系统调节。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：负荷平衡控制装置利用1#交流同步电机的实际力矩电流反馈值i_st1与实际磁链值ψ₁做乘，得到力矩实际值 

利用2#交流同步电机的实际力矩电流反馈值i_st2与实际磁链值ψ₂做乘，得到力矩实际值 

然后将两台交流同步电机的力矩实际值做差， 

得到两台交流同步电机的实际力矩差值ΔM，如果实际力矩差值大于力矩阈值ΔM^*，则根据规则调整负荷平衡控制装置的输出两台交流同步电机的力矩给定值 

调整规则为： 

当两台交流同步电机同轴串联运行时，通过负荷平衡控制装置得到两台交流同步电机的实际力矩差值，并与给定力矩阈值ΔM^*相比较，按照 

规则，增大或减小相应交流同步电机的力矩给定值，使同轴串联运行的两台交流同步电机负荷达到平衡。 

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