CN103151981B - 一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法和装置。其中，该方法包括：计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值；根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，并根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号；通过所述脉冲信号控制三相逆变器，以及通过所述导通角信号控制励磁整流器，实现对电励磁同步电机进行控制。根据本发明实施例，可以避免转子磁场定向控制对于系统控制、安全和效率的影响。

Description

一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法和装置

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法和装置。

背景技术

电励磁同步电机作为一种典型的同步电机，在大功率调速系统中得到了广泛应用。同时，电励磁同步电机的控制方法也成为了研究热点，电励磁同步电机的控制方法主要分为两大类：基于磁场定向的矢量控制和基于转矩的直接转矩控制。其中，电励磁同步电机的矢量控制主要包括：转子磁场定向控制、气隙磁场定向控制、定子磁场定向控制和阻尼磁场定向控制。在这几种矢量控制方法中，转子磁场定向控制的数学模型最为简单，并且还可以实现电机转矩和磁链的完全解耦。

在转子磁场定向控制下，电励磁同步电机的磁链方程(不考虑阻尼绕组的情况)为：

ψ_sd＝L_di_sd+L_adi_f

ψ_sq＝L_qi_sq

电励磁同步电机的电压方程为：

u_sd＝R_si_sd-ωψ_sq

u_sq＝R_si_sq+ωψ_sd

电励磁同步电机的转矩方程为：

T_e＝(L_d-L_q)i_sdi_sq+L_adi_fi_sq

其中，ψ_sd为定子磁链的d轴分量，ψ_sq为定子磁链的q轴分量，L_d为纵轴同步电感，L_q为横轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感，i_sd为定子电流的d轴分量，i_sq为定子电流的q轴分量，i_f为励磁电流，u_sd为定子电压的d轴分量，u_sq为定子电压的q轴分量，R_s为定子电阻，ω为电机的角速度，T_e为电机的转矩。

传统的转子磁场定向控制方法采用i_sd＝0的控制方式，此时，电励磁同步电机的转矩为：T_e＝ψ_sdi_sq＝L_adi_fi_sq。

在实现本发明的过程中，本发明的发明人发现现有技术中至少存在如下问题：由于定子电流的d轴分量i_sd为零，因此，电励磁同步电机的电磁转矩只与定子磁链的d轴分量ψ_sd和定子电流的q轴分量i_sq有关，并且两者没有耦合。而当励磁电流不变时，定子磁链的d轴分量ψ_sd将保持不变，在此情况下，电励磁同步电机的电励磁转矩仅仅与定子电流的q轴分量i_sq有关。当时，当负载增大后，为了保证电励磁同步电机的电励磁转矩不受影响，需要增大定子电流的q轴分量i_sq，在转速不变的情况下，定子电压的幅值将随着定子电流的q轴分量i_sq的增大而增大，而定子电压大幅增大将不利于系统的控制和安全。同时，随着负载的增大，还会使得电枢反应的电势增大，从而使得定子电压和定子电流之间的夹角增大，导致系统的功率因数降低，最终使得整个系统的效率降低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法和装置，以避免转子磁场定向控制对于系统控制、安全和效率的影响。

本发明实施例公开公开了如下技术方案：

一种电励磁同步电机的控制方法，包括：

计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值；

根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，并根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号；

通过所述脉冲信号控制三相逆变器，以及通过所述导通角信号控制励磁整流器，实现对电励磁同步电机进行控制。

优选的，所述计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值，包括：

计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

按照公式计算得到定子电流的d轴分量的控制值，其中，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感。

优选的，所述计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的励磁电流的控制值，包括：

计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

按照公式计算定子电流的d轴分量的控制值；

按照公式计算励磁电流，其中，i_f为励磁电流的控制值，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感，L_d为纵轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感。

优选的，所述根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，包括：

检测电励磁同步电机的三相电流，将所述三相电流进行坐标变换，得到定子电流的d轴分量的实际值和q轴分量的实际值；

分别计算定子电流的d轴分量和q轴分量的控制值与实际值之间的电流差值；

分别对d轴的电流差值与q轴的电流差值进行电流调节，得到第一调制电压和第二调制电压；

对所述第一调制电压和第二调制电压进行空间矢量调制，得到控制三相逆变器的脉冲信号。

优选的，所述根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号，包括：

计算励磁电流的控制值与实际值之间的电流差值；

将所述电流差值进行电流调节，得到控制励磁整流器的导通角信号。

一种电励磁同步电机的控制装置，包括：

控制电流计算单元，用于计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值；

控制信号计算单元，用于根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，并根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号；

控制单元，用于通过所述脉冲信号控制三相逆变器，以及通过所述导通角信号控制励磁整流器，实现对电励磁同步电机进行控制。

优选的，所述控制电流计算单元包括：

速度差值计算单元，用于计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

速度调节单元，用于对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

分量计算单元，用于按照公式计算得到定子电流的d轴分量的控制值，其中，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感。

优选的，所述控制电流计算单元包括：

速度差值计算单元，用于计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

速度调节单元，用于对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

分量计算单元，用于按照公式计算定子电流的d轴分量的控制值；

励磁电流计算单元，用于按照公式计算励磁电流，其中，i_f为励磁电流的控制值，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sd为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感，L_d为纵轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感。

优选的，所述控制信号计算单元包括：

坐标变换单元，用于检测电励磁同步电机的三相电流，将所述三相电流进行坐标变换，得到定子电流的d轴分量的实际值和q轴分量的实际值；

第一电流差值计算单元，用于分别计算定子电流的d轴分量和q轴分量的控制值与实际值之间的电流差值；

第一电流调节单元，用于分别对d轴的电流差值与q轴的电流差值进行电流调节，得到第一调制电压和第二调制电压；

空间矢量调制单元，用于对所述第一调制电压和第二调制电压进行空间矢量调制，得到控制三相逆变器的脉冲信号。

优选的，所述控制信号计算单元包括：

第二电流差值计算单元，用于计算励磁电流的控制值与实际值之间的电流差值；

第二电流调节单元，用于将所述电流差值进行电流调节，得到控制励磁整流器的导通角信号。

由上述实施例可以看出，通过控制定子磁链为恒定值，且控制定子电压和定子电流的夹角为零，即，定子电压和定子电流同相位，从而可以保证定子电压为恒定值，且功率因数恒为1。避免了转子磁场定向控制对于系统控制、安全和效率的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一揭示的一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法的流程图；

图2为本发明一种计算定子电流的控制值的方法流程图；

图3为本发明一种计算励磁电流的控制值的方法流程图；

图4为一种根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号的方法流程图；

图5为本发明一种根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号的方法流程图；

图6为本发明一种电励磁同步电机转子磁场定向控制的控制框图；

图7为本发明实施例二揭示的另一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法的流程图；

图8为实施三揭示的一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制装置的实施例结构图；

图9-1至图9-3为现有技术中的转子磁场定向矢量控制仿真波形图；

图10-1至图10-3为本发明中的转子磁场定向矢量控制仿真波形图；

图11为本发明的试验系统结构示意图；

图12为本发明中的电机的a相电压和a相电流的波形图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法和装置，通过控制定子磁链为恒定值，且控制定子电压和定子电流的夹角为零，即，定子电压和定子电流同相位，从而可以保证定子电压为恒定值，且功率因数恒为1。避免了转子磁场定向控制对于系统控制、安全和效率的影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

实施例一

请参阅图1，其为本发明实施例一揭示的一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值；

如果保证定子磁链为恒定值，那么在固定的转速，且忽略定子电阻上的压降的情况下，定子电压也将为恒定值，这样定子电压将不会随着负载的变化而变化。

在转子磁场定向控制下，电励磁同步电机的磁链方程(不考虑阻尼绕组的情况)为：

ψ_sd＝L_di_sd+L_adi_f  (1)

ψ_sq＝L_qi_sq  (2)

因此，保证定子磁链为恒定值，即为：

ψ_s ²＝ψ_sd ²+ψ_sq ²＝(L_di_sd+L_adi_f)²+(L_qi_sq)²＝const  (3)

其中，ψ_s为定子磁链，ψ_sd为定子磁链的d轴分量，ψ_sq为定子磁链的q轴分量，L_d为纵轴同步电感，L_q为横轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感，i_sd为定子电流的d轴分量，i_sq为定子电流的q轴分量，i_f为励磁电流。

如果要实现功率因数为1，需要保证定子电压和定子电流的夹角为零，即定子电压和定子电流同相位。

在转子磁场定向控制下，电励磁同步电机的电压方程：

u_sd＝R_si_sd-ωψ_sq  (4)

u_sq＝R_si_sq+ωψ_sd  (5)

因此，保证定子电压和定子电流同相位，即为：

$\frac{u_{\mathrm{sd}}}{u_{\mathrm{sq}}}=\frac{R_s{i}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{sq}}}{R_s{i}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{sd}}}=\frac{i_{\mathrm{sd}}}{i_{\mathrm{sq}}}---\left(6\right)$

其中，u_sd为定子电压的d轴分量，u_sq为定子电压的q轴分量，R_s为定子电阻，ω为电机的角速度。

将公式(1)和(2)代入上述公式(6)中，可得：

L_di_sd ²+L_adi_fi_sd+L_qi_sq ²＝0   (7)

综上，只要满足上述公式(3)和(7)，可以使定子磁链为恒定值，且控制定子电压和定子电流的夹角为零，即，定子电压和定子电流同相位，从而可以保证定子电压为恒定值，且功率因数恒为1。

对于电励磁同步电机而言，上述公式(3)和(7)中的L_d、L_q和L_ad为已知参数，因此，只要定子电流(i_sd和i_sq)和励磁电流(i_f)满足上述公职(3)和(7)即可。

将上述公式(3)和(7)联立，可得：

$i_{\mathrm{sd}}=-\frac{L_q{i_{\mathrm{sq}}}^2}{\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_s}^2-{L_q}^2{i_{\mathrm{sq}}}^2}}---\left(8\right)$

$i_f=\frac{\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_s}^2-{L_q}^2{i_{\mathrm{sq}}}^2}-L_d{i}_{\mathrm{sd}}}{L_{\mathrm{ad}}}---\left(9\right)$

根据上述公式(8)，可计算得到定子电流的控制值。优选的，如图2所示，其为本发明一种计算定子电流的控制值的方法流程图，所述计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值，包括：

步骤201：计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

步骤202：按照公式计算得到定子电流的d轴分量的控制值。

其中，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感。

根据上述公式(8)和(9)，可计算得到励磁电流的控制值。优选的，如图3所示，其为本发明一种计算励磁电流的控制值的方法流程图，所述计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的励磁电流的控制值，包括：

步骤301：计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

步骤302：按照公式计算定子电流的d轴分量的控制值；

步骤303：按照公式计算励磁电流。

其中，i_f为励磁电流的控制值，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感，L_d为纵轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感。

在通过上述方法计算得到定子电流的控制值和励磁电流的控制值之后，继续执行电励磁同步电机的控制方法流程102。

步骤102：根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，并根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号；

在获得了定子电流的控制值和励磁电流的控制值后，就可以根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器和脉冲信号，根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号。

需要说明的是，现有技术中存在各种根据定子电流和励磁电流获得控制三相逆变器的脉冲信号和励磁整流器的导通角信号的方法，本发明实施例对具体实现方法并不进行限定。

优选的，如图4所示，其为本发明一种根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号的方法流程图，所述根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，包括：

步骤401：检测电励磁同步电机的三相电流，将所述三相电流进行坐标变换，得到定子电流的d轴分量的实际值和q轴分量的实际值；

步骤402：分别计算定子电流的d轴分量和q轴分量的控制值与实际值之间的电流差值；

步骤403：分别对d轴的电流差值与q轴的电流差值进行电流调节，得到第一调制电压和第二调制电压；

步骤404：对所述第一调制电压和第二调制电压进行空间矢量调制，得到控制三相逆变器的脉冲信号。

优选的，如图5所示，其为本发明一种根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号的方法流程图，包括：

步骤501：计算励磁电流的控制值域与实际值之间的电流差值；

步骤502：将所述电流差值进行电流调节，得到控制励磁整流器的导通角信号。

在通过上述方法计算得到脉冲信号和导通角信号之后，继续执行电励磁同步电机的控制方法流程103。

步骤103：通过所述脉冲信号控制三相逆变器，以及通过所述导通角信号控制励磁整流器，实现对电励磁同步电机进行控制。

实施例二

下面结合图6所示的一种电励磁同步电机转子磁场定向控制的控制框图，详细说明电励磁同步电机的控制方法。请参阅图7，其为本发明实施例二揭示的另一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法的流程图，包括以下步骤：

步骤701：通过加法器计算电励磁同步电机的给定速度n^*与速度传感器检测的实际速度n之间的速度差值；

步骤702：通过速度调节器对上述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值i_sq ^*；

其中，速度调节器具体可以为一个PI(比例积分)调节器，当然，除此之外，还可以是其它类型的调节器，本发明实施例对此并不进行限定。

步骤703：按照公式对定子磁链的给定值ψ_s ^*和定子电流的q轴分量的控制值i_sq ^*进行计算，得到定子电流的d分量的控制值i_sd ^*；

步骤704：按照公式对定子磁链的给定值ψ_s ^*、定子电流的q轴分量的控制值i_sq ^*和定子电流的d轴分量的控制值i_sd ^*进行计算，得到励磁电流的控制值i_f ^*；

步骤705：将通过电流传感器检测的电励磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换，得到定子电流的d轴的实际值i_sd和q轴分量的实际值i_sq；

步骤706：通过加法器分别计算定子电流的d轴分量的控制值i_sd ^*与实际值i_sd之间的电流差值，以及定子电流的q轴分量的控制值i_sq ^*与实际值i_sq之间的电流差值；

步骤707：通过电流调节器对上述两个电子电流的电流差值分别进行电流调节，得到调制电压；

步骤708：将上述调制电压进行空间矢量调节，得到控制三相逆变器的脉冲信号；

步骤709：通过加法器计算励磁电流的控制值i_f ^*与电流传感器检测的励磁电流的实际值i_f之间的电流差值；

步骤710：通过电流调节器对上述励磁电流的电流差值进行电流调节，得到控制励磁整流器的导通角信号。

需要说明的是，在通过上述步骤701-703计算获得定子电流的控制值，以及通过上述步骤701-704计算获得励磁电流的控制值之后，既可以先通过步骤705-708获得控制三相逆变器的脉冲信号，再通过步骤709-710获得控制励磁整流器的导通角信号，也可以先计算获得控制励磁整流器的导通角信号，再计算获得控制三相逆变器的脉冲信号。或者，还可以同时计算上述导通角信号和脉冲信号。本发明对获得脉冲信号和导通角信号的执行顺序并不进行限定。

实施例三

与上述一种电励磁同步电机的控制方法相对应，本发明实施例还提供了一种电励磁同步电机的控制装置。请参阅图8，其为本发明实施三揭示的一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制装置的实施例结构图，该装置包括控制电流计算单元801、控制信号计算单元802和控制单元803。下面结合该装置的工作原理进一步介绍其内部结构以及连接关系。

控制电流计算单元801，用于计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值；

控制信号计算单元802，用于根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，并根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号；

控制单元803，用于通过所述脉冲信号控制三相逆变器，以及通过所述导通角信号控制励磁整流器，实现对电励磁同步电机进行控制。

上述控制电流计算单元801的一种优选结构包括：

速度差值计算单元，用于计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

速度调节单元，用于对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

分量计算单元，用于按照公式计算得到定子电流的d轴分量的控制值，其中，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感。

上述控制电流计算单元801的另一种优选的结构包括：

速度差值计算单元，用于计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

速度调节单元，用于对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

分量计算单元，用于按照公式计算定子电流的d轴分量的控制值；

励磁电流计算单元，用于按照公式计算励磁电流，其中，i_f为励磁电流的控制值，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感，L_d为纵轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感。

最优选的，控制电流计算单元801包括：速度差值计算单元、速度调节单元、分量计算单元和励磁电流计算单元。

上述控制信号计算单元802的一种优选结构包括：

坐标变换单元，用于检测电励磁同步电机的三相电流，将所述三相电流进行坐标变换，得到定子电流的d轴分量的实际值和q轴分量的实际值；

第一电流差值计算单元，用于分别计算定子电流的d轴分量和q轴分量的控制值与实际值之间的电流差值；

第一电流调节单元，用于分别对d轴的电流差值与q轴的电流差值进行电流调节，得到第一调制电压和第二调制电压；

空间矢量调制单元，用于对所述第一调制电压和第二调制电压进行空间矢量调制，得到控制三相逆变器的脉冲信号。

上述控制信号计算单元802的另一种优选结构包括：

第二电流差值计算单元，用于计算励磁电流的控制值与实际值之间的电流差值；

第二电流调节单元，用于将所述电流差值进行电流调节，得到控制励磁整流器的导通角信号。

最优选的，控制信号计算单元802包括：第一电流差值计算单元、第一电流调节单元、空间矢量调制单元、第二电流差值计算单元和第二电流调节单元。

下面对本发明的电励磁同步电机的控制方法进行仿真验证和试验验证的过程和结果进行说明。

一、仿真验证过程及结果：

利用上述的电励磁同步电机转子磁场定向控制方法，在MATLAB仿真平台上，搭建了电励磁同步电机矢量控制的模型。电励磁同步电机的参数参照实际试验中的电励磁同步电机的参数，具体参数见，表一，表一电励磁同步电机的参数表。

表一

额定电压	3300V
		额定电流	536.2A
额定功率	3000kW
		转速	750rpm-1500rpm
极对数	2
		频率	25Hz-50Hz

分别对背景技术中的转子磁场定向控制方法和本发明中的转子磁场定向控制方法进行了仿真对比分析，两种控制方法的仿真过程均分为四个阶段：第一阶段为同步电机转子侧励磁过程；第二阶段为同步电机空载从零速加速至额定转速(750rpm)；第三阶段为空载运行在额定转速；第四阶段为在额定转速时突加额定负载。仿真波形如图9和图10所示，图9-1和10-1为电流、转速和转矩仿真波形图，图9-2和10-2为定子电压的d轴分量和定子电压的q轴分量的仿真波形图，图9-3和10-3为有功功率和无功功率的仿真波形图。

从仿真波形可以看出，现有技术中的转子磁场定向矢量控制方法在负载增大后，定子电压的d轴分量和q轴分量的幅值都在增加，因而定子电压的幅值也在增加；同时无功功率也在增大，因此，功率因数也在下降。本发明中的转子磁场定向控制策略在负载增大后，定子电压的d轴分量在增大，q轴分量在减少，而总的定子电压的幅值基本保持不变；在突加负载后，无功功率会有所波动，这是因为励磁电流的响应时间比定子电流慢，因此，在动态过程无功功率会有所波动，当励磁电流调节至指令值后，无功功率也将回归至零附近，功率因数也将保持为1。从上面的分析可以看出仿真的结果验证了前面的分析的正确性，同也验证了本发明中的转子磁场定向控制方法的有效性。

二、试验验证过程及结果：

为了充分验证本发明中的控制方法的有效性，对本发明中的控制方法进行了试验验证。试验系统如图11所示，该试验系统的输入为三相交流电压通过四象限整流器变成的直流电压，两个逆变器并联在同一个直流母排，分别控制一台3MW大功率异步电机和一台3MW大功率电励磁同步电机，两台电机同轴连接，整流器和两个逆变器均为IGCT三电平变流器。系统运行时，四象限整流器控制直流侧电压恒定以及中点电位平衡，逆变器控制一台电机处于牵引工况，另一台电机处于制动工况，能量通过直流侧电容进行交换，交流侧输入只提供系统损耗的能量。试验现场的波形如图12所示，从实验波形可以看出，电机的定子电压和定子电流同相位，功率因数为1，实现了电励磁同步电机的转子磁场定向控制目标。

需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上对本发明所提供的一种电励磁同步电机的转子磁场定向控制方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电励磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括：

计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值；

根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，并根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号；

通过所述脉冲信号控制三相逆变器，以及通过所述导通角信号控制励磁整流器，实现对电励磁同步电机进行控制；

其中，所述计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值，包括：

计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

按照公式计算得到定子电流的d轴分量的控制值，其中，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的励磁电流的控制值，还包括：

按照公式计算励磁电流，其中，i_f为励磁电流的控制值，L_d为纵轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，包括：

检测电励磁同步电机的三相电流，将所述三相电流进行坐标变换，得到定子电流的d轴分量的实际值和q轴分量的实际值；

分别计算定子电流的d轴分量和q轴分量的控制值与实际值之间的电流差值；

分别对d轴的电流差值与q轴的电流差值进行电流调节，得到第一调制电压和第二调制电压；

对所述第一调制电压和第二调制电压进行空间矢量调制，得到控制三相逆变器的脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号，包括：

计算励磁电流的控制值与实际值之间的电流差值；

将所述电流差值进行电流调节，得到控制励磁整流器的导通角信号。

5.一种电励磁同步电机的控制装置，其特征在于，包括：

控制电流计算单元，用于计算使电励磁同步电机的定子磁链为恒定值，且定子电压和定子电流为同相位的定子电流的控制值和励磁电流的控制值；

控制信号计算单元，用于根据定子电流的控制值获得控制三相逆变器的脉冲信号，并根据励磁电流的控制值获得控制励磁整流器的导通角信号；

控制单元，用于通过所述脉冲信号控制三相逆变器，以及通过所述导通角信号控制励磁整流器，实现对电励磁同步电机进行控制；

其中，所述控制电流计算单元包括：

速度差值计算单元，用于计算电励磁同步电机的给定速度和实际速度之间的速度差值；

速度调节单元，用于对所述速度差值进行速度调节，得到定子电流的q轴分量的控制值；

分量计算单元，用于按照公式计算得到定子电流的d轴分量的控制值，其中，i_sd为定子电流的d轴分量的控制值，i_sq为定子电流的q轴分量的控制值，ψ_s为定子磁链的给定值，L_q为电励磁同步电机的横轴同步电感。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制电流计算单元还包括：

励磁电流计算单元，用于按照公式计算励磁电流，其中，i_f为励磁电流的控制值，L_d为纵轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制信号计算单元包括：

坐标变换单元，用于检测电励磁同步电机的三相电流，将所述三相电流进行坐标变换，得到定子电流的d轴分量的实际值和q轴分量的实际值；

第一电流差值计算单元，用于分别计算定子电流的d轴分量和q轴分量的控制值与实际值之间的电流差值；

第一电流调节单元，用于分别对d轴的电流差值与q轴的电流差值进行电流调节，得到第一调制电压和第二调制电压；

空间矢量调制单元，用于对所述第一调制电压和第二调制电压进行空间矢量调制，得到控制三相逆变器的脉冲信号。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制信号计算单元包括：

第二电流差值计算单元，用于计算励磁电流的控制值与实际值之间的电流差值；

第二电流调节单元，用于将所述电流差值进行电流调节，得到控制励磁整流器的导通角信号。