CN102368675A - 同步电机变频启动初始阶段双模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开同步电机变频启动初始阶段双模控制方法，包括如下步骤：（1）在同步电机静止变频初始开环控制阶段，以提供克服电机初始启动阻力的初始动力转矩、电流小于额定启动电流为约束条件，确定初始触发角；（2）在同步电机启动后，以持续为电机提供充足动力转矩、确保电机按照需要的转速上升速率平稳启动为约束，确定触发角变化速度，并使触发角以该触发角变化速度变化，直至电机达到闭环控制转速，从而完成同步电机变频启动初始阶段双模控制。此种控制方法可提高静止变频系统运行的安全性和可靠性，提高电机启动初始阶段的控制品质，提高同步电机启动成功率。

Description

同步电机变频启动初始阶段双模控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种针对同步电机静止变频启动初始阶段的控制方法。

背景技术

静止变频系统的结构可参考图1所示，三相全控整流桥和直流电抗器组成直流电流源，三相全控逆变桥将其输出的直流电流变换成交流电流，再输入到同步电机定子。在启动同步电机时，在电机低频阶段(一般小于2Hz)由于采用脉冲换相方式，回路中电流不连续；并且由于低速阶段机端电压波形易受干扰，容易造成基于电压波形的转速测量不准确，所以在该阶段不采用由转速环和电流环构成的双环控制，而是采用直接控制整流桥触发角α的开环控制。通常采用的是定角度控制方式，该控制方式为了克服电机转子较大的初始阻力，需要设定比较小的触发角α_init0；电机启动后，随着速度上升，电机转子所受阻力矩变大，回路中电流变小，转子动力矩会减小，为了能够使电机达到闭环控制转速n_oc，定角度控制方式需要选择比α_init0更小的触发角α_init。采用触发角α_init虽然能够使电机速度从静止达到n_oc，但会造成初始启动时，一次回路中的电流过冲，不利于设备安全、稳定运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供同步电机变频启动初始阶段双模控制方法，其可提高静止变频系统运行的安全性和可靠性，提高电机启动初始阶段的控制品质，提高同步电机启动成功率。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

同步电机变频启动初始阶段双模控制方法，包括如下步骤：

(1)在同步电机静止变频初始开环控制阶段，以提供克服电机初始启动阻力的初始动力转矩、电流小于额定启动电流为约束条件，确定初始触发角；

(2)在同步电机启动后，以持续为电机提供充足动力转矩、确保电机按照需要的转速上升速率平稳启动为约束，确定触发角变化速度，并使触发角以该触发角变化速度变化，直至电机达到闭环控制转速，从而完成同步电机变频启动初始阶段双模控制。

上述步骤(1)中，根据下式确定初始触发角：

$\arccos \left(\frac{k*r_D*I_n}{1.35*U_R}\right)<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{init}0}<\arccos \left(\frac{r_D*I_{\mathrm{init}}}{1.35*U_R}\right);$

其中，α_init0是初始触发角；k是初始启动电流裕度系数，0.1＜k＜1；r_D是回路电阻；I_n是静止变频系统额定启动电流；U_R是整流桥交流侧线电压；I_init是能够使电机从静止开始转动的最小电流。

上述步骤(2)中，根据下式确定触发角变化速度：

V_α＝-58.476*K₂*V_ω；

其中，V_α是触发角变化速度；0.01＜K₂＜0.05；V_ω是电机转速上升速率。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：与以往同步电机变频启动初始阶段的定角度控制方法相比，本发明采用变整流桥触发角方式，能够实现初始启动时回路中电流小于系统额定启动电流，避免因初始正向转矩不足而造成的初始启动失败；并且能在初始启动后提供足够、持续的转矩，使电机按照需要的转速上升速率平稳启动；同时本发明还可避免为实现电机初始启动成功而加大电流时引起静止变频系统过流；提高了静止变频系统运行的安全性和可靠性，提高了电机启动初始阶段的控制品质，同时也提高了同步电机启动的成功率。

附图说明

图1是静止变频系统的主回路连接示意图；

图2是本发明中触发角与其余弦值在70°到90°的关系曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供同步电机变频启动初始阶段双模控制方法，一般包括两个步骤，首先在同步电机静止变频初始开环控制阶段，以提供克服电机初始启动阻力的初始动力转矩、电流小于额定启动电流为约束条件1，选择合适的初始触发角α_init0；此处约束条件1如式(1)所示：

$I_{\mathrm{init}}<\frac{1.35*U_R*\cos \left({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{inint}0}\right)}{r_D}<k*I_n---\left(1\right)$

其中，I_init是能够使电机从静止开始转动的最小电流；U_R是整流桥交流侧线电压；r_D是回路电阻；I_n是静止变频系统额定启动电流；k是初始启动电流裕度系数，0.1＜k＜1，实施中可以根据实际的静止变频一次参数选择合适的k。

将前述式(1)变换为式(2)，如下：

$\arccos \left(\frac{k*r_D*I_n}{1.35*U_R}\right)<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{init}0}<\arccos \left(\frac{r_D*I_{\mathrm{init}}}{1.35*U_R}\right)---\left(2\right)$

从而可直接根据式(2)计算得到α_init0，作为整流桥的初始触发角。

在同步电机启动后，速度上升时，以能够持续为电机提供充足动力转矩、确保电机按照需要的转速上升速率平稳启动为约束条件2，确定触发角变化速度V_α，其中，整流桥触发角α应满足式(3)：

$\frac{d\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{J}{K_1}*\frac{d^2\mathrm{\&omega;}}{d^{2}t}+K_2*\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

其中，

式中，J是电机转动惯量，单位为kg/m²；ω是电机转子角速度，单位为rad/min；N_c是定子每相绕组匝数；

是电机气隙磁通，由于在静止变频启动过程中采用恒磁通控制，所以

可以认为是常量；K_r是低频阶段阻力转矩相对于转速的比例系数，单位是(N·m)/(rad/min)。

由于在静止变频启动过程中，电机转速上升速率一般是恒定值，所以式(3)中的ω的二阶微分项为零，可以去掉；在电机初始启动阶段，由于阻力矩比较小，静止变频系统出力也比较小，所以此阶段整流桥触发角α在70°到90°之间，而在此角度区间中，cos(α)与α基本成线性关系，配合图2所示，其解析式为式(4)：

cos(α)＝-0.0171*α+1.539                (4)

将式(4)代入式(3)，并将ω的二阶微分项去掉，得到式(5)：

$-0.0171*\frac{\mathrm{d\&alpha;}}{\mathrm{dt}}=K_2*\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

以V_ω表示电机转速上升速率，单位为(rad/min)/s，V_α表示触发角变化速度，以deg/s为单位，则由式(5)得到下式：

V_α＝-58.476*K₂*V_ω                (6)

式(6)中的负号表示随着电机转速上升速率V_ω变大，触发角减小的速率变大。根据不同的整流桥交流测电压及电机定子电压，K₂的取值范围为0.01～0.05。

当根据需要设定好电机转速上升速度V_ω后，根据式(6)，即可计算出满足约束条件2的整流桥触发角变化速度V_α。

按照式(2)计算出能够提供克服电机初始启动阻力的初始动力转矩、电流不产生大于额定起动电流的初始触发角α_init0，按照式(6)计算出能够持续为电机提供充足动力转矩、确保其按照需要的转速上升速率平稳启动的V_α，则可实现同步电机变频启动初始阶段的双模控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.同步电机变频启动初始阶段双模控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在同步电机静止变频初始开环控制阶段，以提供克服电机初始启动阻力的初始动力转矩、电流小于额定启动电流为约束条件，确定初始触发角；

(2)在同步电机启动后，以持续为电机提供充足动力转矩、确保电机按照需要的转速上升速率平稳启动为约束，确定触发角变化速度，并使触发角以该触发角变化速度变化，直至电机达到闭环控制转速，从而完成同步电机变频启动初始阶段双模控制。

2.如权利要求1所述的同步电机变频启动初始阶段双模控制方法，其特征在于所述步骤(1)中，根据下式确定初始触发角：

$\arccos \left(\frac{k*r_D*I_n}{1.35*U_R}\right)<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{init}0}<\arccos \left(\frac{r_D*I_{\mathrm{init}}}{1.35*U_R}\right);$

其中，α_init0是初始触发角；k是初始启动电流裕度系数，0.1＜k＜1；r_D是回路电阻；I_n是静止变频系统额定启动电流；U_R是整流桥交流侧线电压；I_init是能够使电机从静止开始转动的最小电流。

3.如权利要求1或2所述的同步电机变频启动初始阶段双模控制方法，其特征在于所述步骤(2)中，根据下式确定触发角变化速度：

V_α＝-58.476*K₂*V_ω；

其中，V_α是触发角变化速度；0.01＜K₂＜0.05；V_ω是电机转速上升速率。

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