CN102255586B - 永磁同步电机恒功率宽调速控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电动机控制和电力电子技术领域，具体涉及永磁同步电机恒功率宽调速控制方法，其不同之处在于：采用带高频整流器的四象限变频器控制驱动永磁同步电机，当永磁同步电机工作在额定转速以内时，控制高频整流器输出额定直流母线电压；而当永磁同步电机工作在额定转速以上时，控制高频整流器输出电压高于额定直流母线电压，使永磁同步电机额定转速以上运行时，外加到永磁同步电机的端电压高于电机绕组的感应电势，从而使得永磁同步电机的转速超过额定转速。该方法能有效扩展永磁同步电机恒功率区的调速范围。
Description
技术领域
本发明属于电动机控制和电力电子技术领域，具体涉及永磁同步电机恒功率宽调速控制方法。
背景技术
永磁同步电机以其优良的特性（体积小、运行效率高、功率因数高等等）越来越广泛地应用到各个领域，在许多应用场合（如机床主轴驱动系统、电动车驱动装置等等），要求永磁同步电机在额定转速以上的恒功率区有较宽的调速范围。在恒功率调速区间，由于永磁电机的绕组反电势已接近电机外部电源电压，所以需要采用弱磁调速控制方法，即通过削弱永磁同步电机气隙磁场，降低电机绕组的反电势，外部电源才能有效提供永磁同步电机电流和功率，实现永磁同步电机的额定转速以上的恒功率区调速。但永磁同步电机采用永磁体励磁，而永磁体具有很强的磁动势，通过控制电枢电流产生的磁势对电机气隙去磁效果有限，因此限制了永磁同步电机在恒功率区的调速范围。
发明内容
本发明的目的就是提出一种永磁同步电机恒功率宽调速控制方法，该方法能有效扩展永磁同步电机恒功率区的调速范围。
本发明为实现上述发明目的的技术方案如下：永磁同步电机恒功率宽调速控制方法，其不同之处在于：采用带高频整流器的四象限变频器控制驱动永磁同步电机，当永磁同步电机工作在额定转速以内时，控制高频整流器输出额定直流母线电压；而当永磁同步电机工作在额定转速以上时，控制高频整流器输出电压高于额定直流母线电压，使永磁同步电机额定转速以上运行时，外加到永磁同步电机的端电压高于电机绕组的感应电势，从而使得永磁同步电机的转速超过额定转速。
按以上方案，通过检测永磁同步电机转速确定高频变频器直流母线的电压给定值，当电压给定值高于电网电压峰值后，控制高频整流器工作在BOOST升压载波状态，使变频器直流母线电压超过电网电压的峰值。
按以上方案，当变频器直流母线达到最大给定值后，采用矢量控制策略，增加电机中d轴去磁电流，削弱电机气隙中的主磁场，进一步提升永磁电机的转速。
按以上方案，高频整流器工作在BOOST升压工况采用电压和电流双闭环控制；根据永磁同步电机的给定转速，计算高频整流器对应的直流母线电压给定值，通过电压调节器闭环调节直流母线电压至给定值，电压调节器输出值为电流闭环的电流给定幅值，然后再检测电网电压的相位并通过坐标变换实现电网电流与电网电压相位一致的控制策略，在满足高频整流器直流母线电压等于设定值的条件下，达到最小谐波的电流控制方式。
按以上方案，当永磁同步电机工作在制动工况时，控制变频器中的逆变器将永磁同步电机制动发电电能泵升到直流母线的储能电容中，同时控制变频器中的高频整流器工作在能量回馈状态，将储能电容中的电能回送给电网，达到节能运行的目的。
对比现有技术，本发明的有益效果如下：当永磁同步电机工作到额定转速以上的恒功率区后，控制主电路中高频整流器工作在BOOST升压工况，并跟踪永磁电机的转速，不断调整加到永磁同步电机端电压，满足永磁同步电机升速后反电势的增长需求，达到扩展永磁同步电机恒功率区的调速范围。
本发明通过提升变频器直流母线电压并结合对电机气隙弱磁的方法，在永磁同步电机额定转速以上恒功率区获得更宽调速范围的新方法。
附图说明
图1是本发明永磁同步电机的四象限变频器主电路拓扑；
图2是本发明提升直流母线电压的电路原理图；
图3a是本发明提升直流母线电压时的电网电压、电流波形图；
图3b是本发明永磁同步电机制动工况时的电网电压、电流波形图；
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种驱动永磁同步电机的四象限变频器主电路拓扑，图1中四象限变频器主电路拓扑主要由高频整流器Ⅰ、直流母线上的储能电容C和逆变器组Ⅱ成。根据永磁同步电机的运行状态，高频整流器既可以工作在整流工况，又可以工作在有源逆变工况（即能量回馈工况）。当永磁同步电机工作在电动状态时，控制高频整流器工作在整流工况，电网通过高频整流器提供永磁同步电机有功电能并转变为机械能驱动负载运动；当永磁同步电机工作在制动状态时，控制高频整流器工作在能量回馈工况，将永磁同步电机制动机械能转变的电能回送给电网，可以大大提高整个系统的运行效率。
当永磁同步电机转速超过额定转速以上后，控制高频整流器工作在BOOST升压工况，使四象限变频器的直流母线电压随电机转速上升而不断升高，满足永磁同步电机高速运行时反电势的需求。实现高频整流器工作在BOOST升压工况的原理是，当电网线电压UAB>0区间时，控制高频整流器中的功率管T4、T3工作在斩波状态（见图2a所示），图2a中RLoad是模拟逆变器和永磁同步电机耗电的等效负载。控制T4、T3闭合导通时，电感LA、LB中电流增加，即电感LA、LB的磁场能量增加；控制T4、T3截止断开时，电感LA、LB中电流减少，即电感LA、LB中的磁场能量释放，释放的磁场能量（电感中的电流）通过D1、D6向电容C1充电，迫使电容电压即直流母线电压升高。当电网线电压UAB<0区间时，控制高频整流器中的功率管T1、T6工作在斩波状态（见图2b所示），控制T1、T6闭合导通时，电感LA、LB中电流增加，即电感LA、LB的磁场能量增加；控制T1、T6截止断开时，电感LA、LB中电流减少，即电感LA、LB中的磁场能量释放，释放的磁场能量（电感中的电流）通过D4、D3向电容C1充电，迫使电容电压即直流母线电压升高。在电网线电压其他4个区间，控制高频整流器中不同组合功率管反复通断，就可以使直流母线电压不断升高，达到目标设定电压值。
当四象限变频器直流母线电压达到最高允许电压以后，随着永磁同步电机转速设定值的进一步提高，通过控制逆变器提供永磁同步电机d轴去磁电流，削弱永磁同步电机气隙磁场，使永磁同步电机可以达到更宽的调速范围。
当永磁同步电机工作在制动工况时，永磁同步电机会将机械能转变为频率可变的交流电能，通过逆变器将永磁同步电机转变的交流电能转变为直流电能储存到变频器直流母线上的电容器C1内，再通过高频整流器将C1中储存的直流电能变为与电网频率相同，相位一致的交流电能回送给电网，达到节能运行的目的。
本发明采用四象限变频器主电路拓扑（图1），本发明用于一台20KW永磁同步电机四象限变频器由主电路和控制电路构成。主电路包括高频整流器Ⅰ、储能电容C1和逆变器Ⅱ等部件，见图1所示；控制电路的核心是数字信号处理器（DSP）。主电路中高频整流器Ⅰ和逆变器Ⅱ中的功率开关管T1-T12选用100A/1700V的IGBT模块，当直流母线电压上升到1200V时仍可以确保IGBT模块安全运行。四象限变频器直流母线电压经零磁通电压传感器转变为与主电路具有电气隔离的0-3V直流电压送到变频器控制电路的A/D转换入口，作为控制直流母线电压的反馈值Uf。根据转速给定值，DSP计算出永磁同步电机端电压和直流母线电压给定值UG。当计算的UG小于电网线电压峰值时，控制高频整流器输出略高于电网线电压峰值的恒定直流母线电压，由于直流母线电压恒定，可以控制永磁同步电机获得更好的力矩特性。当计算的UG高于电网线电压峰值后，控制高频整流器输出的直流母线电压随电机转速同步增长。本实施例中，考虑到380V电压等级的永磁同步电机可承受的最高电压值和选用的功率开关管电压值，控制直流母线电压最高值为1100V，即大于2倍380V电网电压峰值，在此供电电压下，永磁同步电机在2倍额定反电势的区间内均可以输出额定功率，因此即使不采用弱磁控制技术，也可以控制永磁同步电机获得2倍额定转速的恒转矩调速区。永磁同步电机达到2倍额定转速以上后，通过矢量控制，使永磁同步电机等效d轴电流大于零，实现永磁同步电机的弱磁控制，可以控制永磁同步电机达到4倍额定转速以上的恒功率调速范围。
高频整流器工作在BOOST升压工况采用电压和电流双闭环控制。根据永磁同步电机的给定转速，计算对应的直流母线电压给定值，通过电压闭环调节来提高直流母线电压至给定值，电压调节器输出值就是电流闭环的电流给定幅值，再检测电网电压的相位并通过坐标变换实现电网电流与电网电压相位一致的控制策略，在满足直流母线电压等于设定值的条件下，达到最小谐波的电流控制方式。具体的，本实施例中，对高频整流器的控制采用电压、电流双闭环控制；首先根据直流母线电压给定值和电压反馈值之差，实现电压闭环控制，获得控制电网电流的给定幅值，再根据电网电压同步信号，计算出控制三相电网电流的瞬时值；最后通过坐标变换，实现对电网电流的电流闭环控制。
采用本发明的控制方法，不仅可以获得更宽的电机恒功率调速范围，还可以令电网电流近似为正弦波，并且在永磁同步电机制动将机械能转变为电能回送给电网，达到节能运行的优点。本示例中，永磁同步电机工作在电动工况的电压、电流波形如图3a所示，电流波形与电网电压同相位，变频器吸收有功率功率，永磁同步电机工作在制动工况的电压、电流波形如图3b所示，电流波形与电网电压反相位，变频器送出有功率功率。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.永磁同步电机恒功率宽调速控制方法，其特征在于：采用带高频整流器的四象限变频器控制驱动永磁同步电机，当永磁同步电机工作在额定转速以内时，控制高频整流器输出额定直流母线电压；而当永磁同步电机工作在额定转速以上时，控制高频整流器输出电压高于额定直流母线电压，使永磁同步电机在额定转速以上运行时，外加到永磁同步电机的端电压高于电机绕组的感应电势，从而使得永磁同步电机的转速超过额定转速；通过检测永磁同步电机转速确定高频变频器直流母线的电压给定值，当电压给定值高于电网电压峰值后，控制高频整流器工作在BOOST升压载波状态，使变频器直流母线电压超过电网电压的峰值；高频整流器工作在BOOST升压工况采用电压和电流双闭环控制；根据永磁同步电机的给定转速，计算高频整流器对应的直流母线电压给定值，通过电压调节器闭环调节直流母线电压至给定值，电压调节器输出值为电流闭环的电流给定幅值，然后再检测电网电压的相位并通过坐标变换实现电网电流与电网电压相位一致的控制策略，在满足高频整流器直流母线电压等于设定值的条件下，达到最小谐波的电流控制方式；实现高频整流器工作在BOOST升压工况的电路包括电感LA、电感LB、电感LC、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4、功率管T5、功率管T6、电容C1，电感LA的一端连接到电网线电压A相接入点，电感LA的另外一端分别连接到二极管D1的正极、功率管T4的集电极、功率管T1的发射极、二极管D4的负极，电感LB的一端连接至电网线电压B相接入点，电感LB的另外一端分别连接至功率管T3的发射极、二极管D6的负极、二极管D3的正极、功率管T6的集电极；电感LC的一端连接到电网线电压C相接入点，电感LC的另外一端分别连接到功率管T5的发射极、二极管D5的正极、功率管T2的集电极、二极管D2的负极，二极管D1的负极、功率管T3的集电极、功率管T1的集电极、二极管D3的负极、功率管T5的集电极、二极管D5的负极均连接到电容C1的一端，功率管T4的发射极、二极管D6的正极、二极管D4的正极、功率管T6的发射极、功率管T2的发射极、二极管D2的正极均连接至电容C1的另外一端；实现高频整流器工作在BOOST升压工况的原理是：当电网线电压UAB>0区间时，控制高频整流器中的功率管T4、功率管T3工作在斩波状态，控制功率管T4、功率管T3闭合导通时，电感LA、电感LB中电流增加，即电感LA、电感LB的磁场能量增加；控制功率管T4、功率管T3截止断开时，电感LA、电感LB中电流减少，电感LA、电感LB中的磁场能量释放，释放的磁场能量通过二极管D1、二极管D6向电容C1充电，迫使电容电压即直流母线电压升高；当电网线电压UAB<0区间时，控制高频整流器中的功率管T1、功率管T6工作在斩波状态，控制功率管T1、功率管T6闭合导通时，电感LA、电感LB中电流增加，即电感LA、电感LB的磁场能量增加；控制功率管T1、功率管T6截止断开时，电感LA、电感LB中电流减少，即电感LA、电感LB中的磁场能量释放，释放的磁场能量通过二极管D4、二极管D3向电容C1充电，迫使电容电压即直流母线电压升高；在电网线电压其他4个区间，控制高频整流器中不同组合功率管反复通断，就可以使直流母线电压不断升高，达到目标设定电压值。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机恒功率宽调速控制方法，其特征在于：当变频器直流母线达到最大给定值后，采用矢量控制策略，增加电机中d轴去磁电流，削弱电机气隙中的主磁场，进一步提升永磁电机的转速。
3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机恒功率宽调速控制方法，其特征在于：当永磁同步电机工作在制动工况时，控制变频器中的逆变器将永磁同步电机制动发电电能泵升到直流母线的储能电容中，同时控制变频器中的高频整流器工作在能量回馈状态，将储能电容中的电能回送给电网，达到节能运行的目的。
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