CN102832871A - 变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变桨控制用带矢量控制的交流电机驱动装置，包括功率回路部分和控制回路部分，其中功率回路部分包含整流单元、能耗制动单元、功率开关电路、以及交流输入相序检测单元、母线电压和输出电流检测单元等；控制回路部分包含模拟信号采样单元、数字信号输入采集电路、速度信号采集单元、数字信号输出单元以及与上位机信息交互单元等。控制上采用矢量控制技术，本发明控制性能能达到与直流驱动器同等效果，动态性能良好。适合大功率变桨系统用的交流电机的控制场合，相比同功率等级的直流驱动器，本发明降低了成本，同时提高了控制性能和可靠性。

Description

变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置

技术领域

 本发明属于风力发电技术领域，具体涉及风力发电用交流电机的控制技术，特别涉及一种用于变桨控制系统异步电机的闭环矢量控制驱动装置。

背景技术

风力发电作为目前技术成熟的可再生清洁能源，受到各国的广泛重视。变桨控制系统是风力发电系统中重要的组成部件，其主要功能是变桨驱动电机控制桨叶节距角随风速的大小进行自动调节：在低风速时，让风力发电机具有最大的起动力矩；风速过高时，改变气流对叶片的攻角，进而改变风力发电机获得空气动力转矩，使发电机输出功率保持稳定。

现在国内的风力发电整机功率都以1.5MW、2MW居多，变桨驱动电机多用直流电机方案。但是从整机的发展上来讲：整机从1.5MW向3WM、5MW 功率等级不断迈进，变桨功率也需不断扩容。对于大功率等级的变桨机组，变桨驱动若用直流电机，体积庞大，由于轮毂空间受限，安装非常不便；后期对电机的维护或更换工作量巨大。交流电机由于功率密度大，相同功率等级可以做到比直流电机体积小，且没有换向电刷等的易损件更换的问题，后期维护便捷。

从经济角度来讲：随着竞争激烈，单位千瓦成本持续降低，对成本控制要求越来越高，交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、坚固耐用，工作可靠、维护方便，在变桨电机驱动系统上能够改成交流电机驱动能够降低成本，带来不少效益。

随着芯片处理速度和能力的提高，矢量控制在交流电机控制中优势越发明显，应用该技术交流电机其控制性能和动态响应等指标可以和直流电机媲美。

电机驱动装置是变桨控制系统的关键部件之一。变桨控制系统的电机驱动装置主要功能包括模拟和数字信号的采集、数字开关量信号和控制信号的输出、故障信息处理和保护以及与上位机的信息交互等。电机驱动装置的设计跟选用的电机类型密切相关，它决定了系统的功能、硬件电路结构，软件控制策略等。从现在公开的文献来看，目前国内涉及关于变桨带矢量控制的交流驱动器的应用案例少，因此有必要设计一种性能优良的变桨控制用交流电机的驱动装置。

发明内容

 本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种可靠性高，性能优良的变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置，包括功率回路部分及控制该功率回路部分的控制回路部分，所述驱动器的控制回路部分基于微处理器，所述功率回路部分包括：

用于将输入交流电压变换成直流母线电压的整流单元；

能耗制动单元，由电子开关和功率电阻构成，所述电子开关通过关断和接通所述功率电阻，用以通过能耗的方式以降低母线电压而保护驱动器；

功率开关电路，由三相桥臂六个功率开关器件构成，通过脉冲宽度调制和逻辑电平信号控制功率开关器件的通断进而用于关断和接通交流电机电枢；

控制交流电机方向的装置，通过控制三相桥式功率开关电路的导通顺序可实现正转反转；

用于控制能耗制动单元和功率开关电路的驱动单元，该驱动单元一端耦合到控制回路部分接受微处理器逻辑信号，另一端耦合到所述能耗制动单元和功率开关电路以控制其通断。

优选的，变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置还包括：

用于检测输入电压是否缺相的相序检测电子装置，该装置在检测到输入电压缺相时，产生一个跳变电平并保持该电平直到缺相现象消失；

用于检测整流环节产生的直流母线电压的母线电压检测单元，所述母线电压检测单元通过分压电阻将母线电压变换成微处理器能识别的电压信号；

用于检测交流电机输出三相电流的电流检测单元，通过电流传感器件和电阻将输出三相电流转换成微处理器能识别的信号；

用于检测交流电机转子实时速度的速度检测装置，可将由旋转编码器或脉冲编码器采集的信号转换为微处理器能识别的电信号或者逻辑信号。

优选的，所述驱动器的控制回路部分包括：

电机速度信号采集单元，用以采集速度检测装置的速度信号，构成所述驱动器的闭环反馈速度信号，并在超速或者零速情况下报警；

模拟信号采集单元，用以采集所述驱动器的电流检测单元、母线电压检测单元以及电源电压监控单元和电机速度信号采集单元的模拟信号；

数字信号采集输入单元，用以采集运行命令逻辑、故障复位逻辑以及相序检测电子装置产生的电平信号；

数字信号输出单元，用以根据所述驱动器运行状况，产生数字量信号；

脉冲宽度调制信号产生单元，用以根据速度给定单元的速度给定信号和速度检测装置检测的速度信号、电流检测单元检测的电流信号产生控制功率开关电路的调制信号；

与上位机通信的处理单元，用以与上位机的信息交互。

优选的，所述功率开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT，或金属氧化物场效应管MOSFET。

优选的，所述三相桥臂上面一组功率开关器件连接到母线电压的正端，下面一组功率开关器件连接到母线电压的负端，桥臂的三个中点分别接到交流电机电枢绕组。同一个桥臂上下两个功率开关的信号逻辑相反。

优选的，所述输出电流采样单元由运算放大器及外围器件构成。该单元采集输出电流检测单元的电流信号作为所述驱动装置的闭环反馈电流信号。

本发明的有益效果主要体现在：驱动装置采样数字和模拟信号，判断状态是否正常，非正常时驱动装置报警并切断输出，多种故障逻辑提高装置可靠性；速度及电流信号采集构成驱动装置闭环算法的反馈信号；由于采用了矢量算法，通过软件算法控制提高变桨驱动装置的控制精度及响应时间，限制最大输出电流，在保证驱动装置快速响应速度指令的同时保护驱动装置和交流电机不被烧毁，性能和效果媲美直流电机驱动。本发明适合变桨控制系统动态响应速度快、对可靠性要求高，特别是大功率变桨整机体积和成本要求高的场合应用。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的功率回路原理图。

图3是利用编码器测速的闭环矢量原理框图。

具体实施方式

直流电机驱动系统惯性大，整机功率等级提升后，制造难度大，体积增大，成本升高；使用带矢量控制的交流电机驱动装置后控制的动态性能能和直流电机相媲美，并且交流电机制造和维护成本都低，能大幅度的节省成本，在2MW以上功率等级变桨系统中尤其明显。

根据目前变桨控制系统交流电机驱动装置的开发状况，为了简化设计，提高驱动装置可靠性，完善变桨控制用交流电机控制性能，本发明提供了一种保护功能完善的带矢量控制的变桨控制交流电机驱动装置。如图1所示，包括功率回路部分及控制该功率回路部分的控制回路部分，所述驱动装置的控制回路部分基于微处理器。

所述功率回路部分包括:

（1）   整流单元，用于将输入交流电压变换成直流母线电压。

（2）   中间直流环节，采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直。

（3）能耗制动单元，由电子开关和功率电阻构成，所述电子开关通过关断和接通能所述功率电阻，用以通过能耗以降低母线电压而保护驱动装置；当母线电压处于正常电压阀值以下，电子开关关断，能耗制动单元不起作用，当母线电压异常情况下升高超过规定电压阀值，电子开关打开，功率电阻接入母线，通过能耗的方式降低母线电压达到保护功率电子器件的目的。

（4）功率开关电路，由三相桥臂六个功率开关器件构成，通过脉冲宽度调制和逻辑电平信号控制三相桥臂上下两组功率开关的通断进而用于关断和接通交流电机电枢；控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压，在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流；所述功率开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT，或金属氧化物场效应管MOSFET或其他开关器件。所述三相桥臂上面一组功率开关器件连接到母线电压的正端，下面一组功率开关器件连接到母线电压的负端，桥臂的三个中点分别接到交流电机电枢绕组。同一个桥臂上下两个功率开关的信号逻辑相反；三个桥臂对称，选择桥臂控制电压方向或是电压大小可以根据实际情况调整。

（5）控制交流电机方向的装置，通过控制三相桥式功率电路的导通顺序可实现正转反转。

（6）用于控制能耗制动单元和功率开关电路的驱动单元，该驱动单元一端耦合到控制回路部分接受微处理器逻辑信号，另一端耦合到所述能耗制动单元和功率开关电路以控制其通断。

进一步地，所述驱动装置还包括：

（7）用于检测输入电压是否缺相的相序检测电子装置，该装置在检测到输入电压缺相时，产生一个跳变电平并保持该电平直到缺相现象消失。

（8）用于检测整流环节产生的直流母线电压的母线电压检测单元，所述母线电压检测单元通过分压电阻将母线电压按一定比例变换成微处理器能识别的电压信号。

（9）用于检测交流电机输出电流的电流检测单元，通过电流传感器件和电阻将输出电流转换成微处理器能识别的信号。

（10）用于检测交流电机转子实时速度的速度检测单元，可将由旋转编码器、脉冲编码器或者其他速度检测设备采集的信号转换为微处理器能识别的电信号或者逻辑信号。

进一步地，所述驱动装置的控制回路部分包括：

（1）电机速度信号采集单元，用以采集速度检测装置的速度信号，构成所述驱动装置的闭环反馈速度信号，并在超速或者零速情况下报警。

（2）模拟信号采集单元，该单元采集电流检测单元、母线电压检测单元以及电源电压监控和电机速度信号采集单元等模拟信号；

其中，所述电流检测单元由运算放大器及外围器件构成。该模拟信号采集单元采集所述输出电流检测单元的电流信号作为软件算法的闭环反馈信号，一方面保证电机低速起动时能获得大的起动力矩，使其迅速响应给定速度；另一方面限制输出电流过大，保护驱动装置和交流电机。电流采样信号构成所述驱动装置的闭环反馈电流信号。

所述电机速度采集单元根据电机速度信号检测方式设计：若采用编码器测速，则该单元通过微处理器捕获单元捕捉速度信号。采集的速度信号作为软件算法闭环反馈信号，一方面保证电机跟踪给定速度；另一方面防止电机速度过大而飞车。速度给定信号构成所述驱动装置闭环给定。

电源电压监控信号构成电源电压故障的触发源。

所述母线电压检测单元由运算放大器及外围器件构成，采集母线电压检测单元送来的电压信号。当母线电压超过能耗制动单元动作阀值，控制电路发出制动单元开通指令；当母线电压超过过压阀值，控制电路报警停机。母线电压信号经过微处理器的逻辑处理，作为能耗制动单元的触发源，与此同时，若能耗制动单元控制的制动电阻未能降低母线电压，控制电路将报警。

（3）数字信号采集输入单元，该单元采集运行命令逻辑、故障复位逻辑以及相序检测电子装置产生的电平信号等。其中微处理器在接收到运行命令逻辑后产生运行或停机命令；在接收到故障复位逻辑后产生故障复位命令；在接收到缺相信号存在后则做报警处理。所述数字信号输入单元由光藕及外围器件构成。采集的信号主要有缺相逻辑、运行命令逻辑、故障复位逻辑等。当缺相信号存在，控制电路报警停机；当运行命令存在，在系统无故障的情况下，控制电路执行运行指令；当故障复位存在，控制电路对故障信号进行软件复位。

（4）数字信号输出单元，该单元根据系统运行状况，产生风扇运行、系统正常等数字量信号。所述数字信号输出单元由光藕及外围器件构成。数字输出信号主要有风扇运行、系统正常状态信号等。驱动装置散热器温度超过规定阀值，控制电路发出风扇运行信号；驱动装置无故障，控制电路发出系统正常状态信号给用户以指示。

（5）脉冲宽度调制信号产生单元，该单元根据闭环给定和速度检测装置检测的速度信号、电流采样电路采样的电流信号等产生控制功率开关电路的调制信号。

（6）与上位机通信的处理单元，该单元采用的通信接口优先选用串行通信接口（RS485或RS232等），用于用户修改、存储、读取驱动装置的参数，与上位机的信息交互。

该控制回路部分工作过程：控制电路实时检测数字输入逻辑和模拟输入信号，判断驱动装置有无故障：若没有故障则在有运行命令的情况下，根据给定速度和反馈速度大小以及反馈电流，经过内部算法处理，得到控制功率电路的占空比信号和电机运行方向逻辑作为驱动单元的输入；若有故障，控制电路将报警并停机。

本发明的技术方案具体如图1所示，交流三相输入经过交流/直流变换得到直流母线电压，能耗制动单元在母线电压超过动作阀值的情况下生效以降低母线电压，功率电路经过脉冲宽度调制得到与速度指令匹配的电压和频率，电机换向只需通过改变电枢绕组电压导通顺序即可完成。控制电路采集母线电压、输出电流等模拟信号，电机速度信号根据测速方法的不同可以是旋转编码器信号输入也可以是编码器的脉冲输入，其中输出电流和电机转子速度信号构成软件闭环控制算法的输入量；同时基于微处理器的控制电路也采集相序检测逻辑、运行命令、复位命令等数字信号，输出的数字信号有风扇运行控制、驱动器运行准备等；驱动器与上位机的信息交互通过通信单元实现。

图2给出本发明主功率回路原理图。其中：T是交流/直流整流单元，C为母线电容，G7是控制能耗电阻R通断的开关器件，G1～G6是三相桥臂6个开关器件（以绝缘栅双极晶体管IGBT为例），M是电机。

三相交流输入经过二极管整流单元T和母线电容C得到直流母线电压。开关器件G7和功率电阻R构成能耗制动单元，G7受微处理器逻辑信号控制，决定R是否接入直流母线回路。开关器件G1～G6构成功率回路三相桥臂，其中G1、G2是同一桥臂上下两个开关器件，G1的发射极和G2集电极相连，二者驱动信号互补，G3和G4；G5和G6也如此，交流电机的电枢分别接到桥臂的中点，控制G1~G6的轮流导通，即可实现输出电压和频率可变的交流电驱动电机。

图3是本发明的一个实施例原理框图。图3是利用编码器测速的原理框图。控制芯片的脉冲捕获单元捕捉编码器的脉冲信号，在一定时间内计算脉冲数目，根据编码器每转的脉冲数计算得到电机转速。

本发明尚有多种具体的实施方式，比如图3中去掉速度检测单元而利用软件辨识电机速度而形成的开环矢量控制系统的实施方式等，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置，包括功率回路部分及控制该功率回路部分的控制回路部分，所述驱动器的控制回路部分基于微处理器，其特征在于：所述功率回路部分包括，

用于将输入交流电压变换成直流母线电压的整流单元；

能耗制动单元，由电子开关和功率电阻构成，所述电子开关通过关断和接通所述功率电阻，用以通过能耗的方式以降低母线电压而保护驱动器；

功率开关电路，由三相桥臂六个功率开关器件构成，通过脉冲宽度调制和逻辑电平信号控制功率开关器件的通断进而用于关断和接通交流电机电枢；

控制交流电机方向的装置，通过控制三相桥式功率开关电路的导通顺序可实现正转反转；

用于控制能耗制动单元和功率开关电路的驱动单元，该驱动单元一端耦合到控制回路部分接受微处理器逻辑信号，另一端耦合到所述能耗制动单元和功率开关电路以控制其通断。

2.根据权利要求1所述的变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置，其特征在于：还包括

用于检测输入电压是否缺相的相序检测电子装置，该装置在检测到输入电压缺相时，产生一个跳变电平并保持该电平直到缺相现象消失；

用于检测整流环节产生的直流母线电压的母线电压检测单元，所述母线电压检测单元通过分压电阻将母线电压变换成微处理器能识别的电压信号；

用于检测交流电机输出三相电流的电流检测单元，通过电流传感器件和电阻将输出三相电流转换成微处理器能识别的信号；

用于检测交流电机转子实时速度的速度检测装置，可将由旋转编码器或脉冲编码器采集的信号转换为微处理器能识别的电信号或者逻辑信号。

3.根据权利要求2所述的变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置，其特征在于：

所述驱动器的控制回路部分包括，

电机速度信号采集单元，用以采集速度检测装置的速度信号，构成所述驱动器的闭环反馈速度信号，并在超速或者零速情况下报警；

模拟信号采集单元，用以采集所述驱动器的电流检测单元、母线电压检测单元以及电源电压监控单元和电机速度信号采集单元的模拟信号；

数字信号采集输入单元，用以采集运行命令逻辑、故障复位逻辑以及相序检测电子装置产生的电平信号；

数字信号输出单元，用以根据所述驱动器运行状况，产生数字量信号；

脉冲宽度调制信号产生单元，用以根据速度给定单元的速度给定信号和速度检测装置检测的速度信号、电流检测单元检测的电流信号产生控制功率开关电路的调制信号；

与上位机通信的处理单元，用以与上位机的信息交互。

4.根据权利要求1所述的变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置，其特征在于：所述功率开关器件选用绝缘栅双极晶体管IGBT，或金属氧化物场效应管MOSFET。

5.根据权利要求2所述的变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置，其特征在于：所述三相桥臂上面一组功率开关器件连接到母线电压的正端，下面一组功率开关器件连接到母线电压的负端，桥臂的三个中点分别接到交流电机电枢绕组，

同一个桥臂上下两个功率开关的信号逻辑相反。

6.根据权利要求2所述的变桨控制系统用带矢量控制的交流电机的驱动装置，其特征在于：所述输出电流采样单元由运算放大器及外围器件构成，该单元采集输出电流检测单元的电流信号作为所述驱动装置的闭环反馈电流信号。

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