CN103560735A - 一种电励磁同步电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电励磁同步电机的控制方法，步骤为：（1）由用户需求给定目标转速

和功率因数PF^*；（2）对目标转速

进行闭环控制，得到定子力矩电流

计算给定功率因数角

实际功率因数角

并对功率因数角进行闭环控制，得到定子d轴补偿电流

（3）由定子q轴给定电流

定子磁链给定值

和定子d轴电流补偿量

计算定子d轴电流给定值

励磁绕组电流给定值

（4）对定子d、q轴电流及励磁绕组电流给定值

进行闭环控制，输出给定定子电压u_d、u_q和转子励磁电压u_f；（5）定子电压u_d、u_q经过坐标变换得到三相定子电压u_a、u_b、u_c，给同步电机提供三相交流电源，最终实现对同步电机的控制。本发明具有原理简单、可实现功率因数的给定精确控制和系统稳定运行等优点。

Description

一种电励磁同步电机的控制方法

技术领域

本发明主要涉及到同步电机的控制领域，特指一种电励磁同步电机的控制方法。

背景技术

电励磁同步电机（ESM）具有功率因数高、转矩精度高、转动惯量小、效率高等优点，在大功率电力传动设备上有着广泛应用；例如，在高性能要求的轧机主传动和矿井提升机传动领域，世界上已有上千套轧机和矿井提升机采用交流同步电机调速系统，功率等级从几兆瓦到几十兆瓦均有应用。此外，大功率同步电机调速系统已成功应用于大型船舶电力推进，功率超过10MW，成为近年来大功率交流调速领域的主要发展方向之一。

电励磁同步电机主要组成部分是定子绕组、励磁绕组和阻尼绕组，其中定子绕组产生旋转磁场，一般接电压源变频器或电流源变频器进行控制；励磁绕组由外部可控整流产生转子磁场与定子磁场相互作用产生力矩；阻尼绕组有的同步电机有，有的没有阻尼绕组，阻尼绕组的作用是改善动态响应，稳定磁链、抑制振荡的作用。稳态时基本无作用，为便于分析，且重点是稳态功率因数，故分析时忽略阻尼绕组。

以电压源变频器作为主要装置，对ESM进行控制分析，ESM（无阻尼绕组）忽略磁场饱和，在同步旋转dq坐标系下的数学模型可以表示为：

电压方程：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d={\mathrm{Ri}}_d+{\mathrm{p\φ}}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}}\\ u_q={\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{p\φ}}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.$

磁链方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sd}}=L_d{i}_d+L_{\mathrm{ad}}{i}_f\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}}=L_q{i}_q\\ {\mathrm{\φ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sd}}^2+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}}^2}\end{array}\right.$

转矩方程：

T_e=1.5P[L_adi_f+(L_d-L_q)i_d]i_q

其中：p为微分因子

u_d，u_q为d，q轴电机端电压；i_d，i_q，i_f为d，q轴定子电流，励磁绕组电流；R，L_d，L_q，L_ad为定子电阻、d轴电感、q轴电感、d轴电枢反应电感；φ_sd，φ_sq，φ_s为定子d轴磁链、定子q轴磁链、定子磁链幅值；ω_r，T_e为电机电角速度、电机电磁转矩。

根据上面前两式可知，电励磁同步电机的数学模型在d、q坐标系下的等效电路如图1、2所示。根据上面第三式可以看出，通过控制i_d，i_q，i_f即可达到控制转矩从而控制转速的目的。

ESM当前主要分为开环VVVF控制、直接转矩控制和矢量控制（VC）。在矢量控制（VC）中，常用的VC有转子磁链定向和气隙磁链定向等控制方法。其中，转子磁链定向控制具有数学模型简单、转矩与磁链控制解耦的优点；但当负载增加时，由于电枢反应影响，定子电压幅值增大，定子电流与电压之间的功率因数角增大，这就要求变频装置提供更大的容量。因此，这种定向方法主要用于小容量的同步电机驱动。气隙磁场定向控制可有效地抵消电枢反应影响，电机功率因数可以控制为1，对于大容量同步电动机，该方法可以提高电动机利用率，减小变频器的容量。目前，在大容量同步电机调速系统中应用较多的是气隙磁场定向的矢量控制。但是气隙磁场定向控制需要复杂的磁链观测器的计算，并且易受电机参数影响，功率因数难于实现精确控制。

有从业者提出了一种转子磁场角度定向的功率因数近似为1的ESM矢量控制方法来控制柴油机的变频启动【张朝阳、许俊峰、刘雄于2012年发表在《大功率变流技术》上的“交流内燃机车柴油机变频启动控制方法研究】，它为“转子角度定向控制策略”的代表；提出了其主要矢量控制原理是根据增量式编码器检测同步电机转子速度和转子磁场角度，不需计算气隙磁链角度，通过给定气隙磁链的模型实现对转矩和功率因数为1的控制。其原理为：（1）在额定速以下时，给定的气隙磁场不变；在额定速以上，气隙磁场给定随着速度增大近似按比例减小。（2）按照功率因数近似为1的原则，根据给定的气隙磁链和q轴参考电流

计算d轴和励磁电流的给定

的给定，然后通过电流闭环矢量控制实现电流的跟踪。但该方法也存在一些不足：（1）根据模型计算d轴电流给定时d轴忽略了漏感的影响，会造成控制精度的降低；（2）电机电感参数会随着电流变化而变化，按公式计算的参考电流会有误差，造成电流闭环控制后稳态功率因数的精度不能保证。（3）没有给出在不同功率因数要求下的解决办法。

另有从业者提出了利用气隙磁场定向控制的方法，这类气隙磁场定向矢量控制目前应用较多，该方面的科技论文和书籍也比较多，如：华中科技大学陈构宜的硕士论文《同步电动机气隙磁场定向矢量控制技术的研究》、哈尔滨工程大学代科的硕士论文《六相电励磁同步电机的矢量控制》、科学出版社李崇坚编写的《交流同步电机调速系统》和机械工业出版社马小亮编写的《高性能变频调速及其典型控制系统》等都从不同角度介绍了气隙磁场定向矢量控制的原理和应用。定向控制的基本原理相同，主要不同是在气隙磁链观测的方法上。所谓气隙磁场定向是指控制定子坐标系的M轴与气隙磁链的方向保持一致。这种方式也存在一些不足之处：（1）气隙角度δ需要很复杂的磁链计算，目前还没有统一的解决办法。（2）受电机参数影响和测量误差，容易造成气隙角度估计不准，会造成定向不准。（3）如采用ism=0控制，随着负载电流的增加功率因数下降。（4）不能满足用户对功率因数任意可控的要求。（5）功率因数不能精确控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、可实现功率因数的给定精确控制和系统稳定运行的电励磁同步电机的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电励磁同步电机的控制方法，步骤为：

（1）由用户需求给定目标转速

和功率因数PF^*；

（2）通过PI调节器对目标转速

进行闭环控制，得到定子力矩电流

计算给定功率因数角

实际功率因数角

并对功率因数角进行闭环控制，得到定子d轴补偿电流

（3）由定子q轴给定电流

定子磁链给定值和定子d轴电流补偿量

根据下式计算定子d轴电流给定值

励磁绕组电流给定值

$i_f^{*}=\frac{\sqrt{{{\mathrm{\φ}}_s}^2-{L_q}^2{i}_q^{*2}}-L_d{i}_d^{*}}{L_{\mathrm{ad}}};$

（4）对定子d、q轴电流

及励磁绕组电流给定值

进行闭环控制，由PI调节器输出给定定子电压u_d、u_q和转子励磁电压u_f；

（5）定子电压u_d、u_q经过“坐标变换”单元得到三相定子电压u_a、u_b、u_c，然后送入逆变器，给同步电机提供三相交流电源，最终实现对同步电机的控制。

作为本发明的进一步改进：利用励磁绕组电流给定值

和实际值i_f，通过PI调节器，得到励磁绕组电压u_f，为同步电机转子提供直流励磁电压。

作为本发明的进一步改进：所述给定功率因数角

通过下式计算：感性角度计算：

容性角度计算：

作为本发明的进一步改进：所述实际功率因数角

通过下式计算：

其中，电机输出功率P_m=1.5(u_di_d+u_qi_q)，无功功率Q_m=1.5(u_qi_d-u_di_q)。

作为本发明的进一步改进：所述定子d轴补偿电流通过下式计算：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的方法采用转子磁场定向，定向角θ直接由传感器测量，定向精度高；所有控制量都在dq坐标下进行控制，整个控制结构简单清晰。

2.本发明的方法在电流

分配方法中，考虑定子漏抗压降对功率因数的影响，对定子磁链进行控制，对功率因数控制更精确。

3.在不改变整个控制结构的情况下，仅仅只需应用上述公式即可实现任意功率因数控制，方便高效。

4.本发明通过功率因数角度的闭环控制实现了对功率因数的精确控制，同时可以抑制电机电感参数变化、系统鲁棒性好。

5.本发明对外接口为功率因数PF^*输入和容性/感性选择，便于用户理解，接口方便；且该控制方法可满足用户对任意功率因数实时控制的需求，例如可应用于电网，进行容性或感性补偿。

附图说明

图1是同步电机d轴等效电路原理示意图。

图2是同步电机q轴等效电路原理示意图。

图3是本发明的流程示意图。

图4是本发明在具体应用实例中转子磁场定向任意功率因数闭环控制原理示意图。

图5是转子磁场角度定向矢量图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图3和图4所示，本发明的电励磁同步电机的控制方法，流程为：

（1）由用户需求给定目标转速

和功率因数PF^*（容性/感性）；其中，

为给定转速，ω_r为传感器测量的同步电机SM的转速；PF^*（容性/感性）为用户需求的功率因数给定。

（2）通过PI调节器对目标转速

进行闭环控制，得到定子力矩电流

（即q轴电流给定值

）；计算给定功率因数角

实际功率因数角

并对功率因数角进行闭环控制，得到定子d轴补偿电流

功率因数一般通常有容性和感性之分，例如功率因数角度为10度和-10度是相同的功率因数，10度代表电压超前电流10度，电机工作在感性状态，从电网吸收无功；-10度则向电网提供无功。严格意义上讲应该是功率因数角度的给定，为便于用户理解，本发明系统中外接口为功率因数输入、容性/感性选择，控制系统根据外部输入通过三角函数计算得到功率因数角度的给定。

感性角度计算：

容性角度计算：

本发明采用矢量控制，所以可以根据d、q轴电压、电流来计算功率和功率因数角。即，“实际功率因数角度计算”单元根据d、q轴定子电压u_d、u_q和d、q轴定子电流i_d、i_q由下式计算出实际功率因数角

电机输出功率：

P_m=1.5(u_di_d+u_qi_q)

无功功率：

Q_m=1.5(u_qi_d-u_di_q)

实际功率因数角：

最后，根据反馈的实际功率因数角对给定功率因数角

做闭环控制，由PI调节器输出定子d轴电流补偿量

（3）由定子q轴给定电流

定子磁链给定值

和定子d轴电流补偿量

输入到“参考电流计算单元”，根据下式计算定子d轴电流给定值

励磁绕组电流给定值

$i_f^{*}=\frac{\sqrt{{{\mathrm{\φ}}_s}^2-{L_q}^2{i}_q^{*2}}-L_d{i}_d^{*}}{L_{\mathrm{ad}}}.$

（4）对定子d、q轴电流

及励磁绕组电流给定值

进行闭环控制，由PI调节器输出给定定子电压u_d、u_q和转子励磁电压u_f。i_d、i_q为反馈电流，由实际定子电流i_a、i_b经过“ABC/DQ”单元坐标变换得到。θ为转子位置角，由位置传感器测量（“位置信号处理”）得到，为“ABC/DQ”单元提供坐标变换角。

（5）定子电压u_d、u_q经过“坐标变换”单元得到三相定子电压u_a、u_b、u_c，然后送入逆变器“INV”单元，给同步电机提供三相交流电源，最终实现对同步电机的控制。

（6）励磁绕组电流给定值

和实际值i_f，通过PI调节器，得到励磁绕组电压u_f，为同步电机转子提供直流励磁电压。

在上述过程中，任意功率因数控制参考电流计算的原理如下：

如图5所示，为同步电机转子磁场角度空间矢量图。定子电压合成矢量u_s和定子电流矢量i_s之间的夹角

为功率因数角。

根据矢量图推导功率因数

同步电机稳态电压方程：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d={\mathrm{Ri}}_d-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}}\≈-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}}\\ u_q={\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sd}}\≈{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.$

由上述稳态电压方程，可得定子电压幅值：

$u_s=\sqrt{u_d^2+u_q^2}=\sqrt{{({\mathrm{Ri}}_d-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}})}^2+{({\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sd}})}^2}\≈{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\φ}}_s$

额定速度以下，采用定子磁链为恒定值控制。

将上述两个方程合并，得到下式：

由该式可得：

将磁链方程变换可得下式：

φ_sq=L_qi_q

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sd}}=\sqrt{{\mathrm{\φ}}_s^2-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sq}}^2}$

合并公式，并采用带上标*表示电流参考，可得定子d轴电流参考值

如下式：

将上两式代入磁链方程，并采用带上标*表示电流参考，可得励磁电流参考值

如下式：

$i_f^{*}=\frac{\sqrt{{{\mathrm{\φ}}_s}^2-{L_q}^2{i}_q^{*2}}-L_d{i}_d^{*}}{L_{\mathrm{ad}}}$

其中q轴电流给定

是速度环的输出，根据上式可以看出，通过给定的功率因数角和给定定子磁场可以得出目标功率因数下的

参考电流。

如要向控制在功率因数为1的状态只需令

代入上式即可得：

$i_d^{*}=\frac{-L_q{i}_q^{*2}}{\sqrt{{\mathrm{\φ}}_s^2-L_q^2{i}_q^{*2}}}$

$i_f^{*}=\frac{\sqrt{{{\mathrm{\φ}}_s}^2-{L_q}^2{i}_q^{*2}}-L_d{i}_d^{*}}{L_{\mathrm{ad}}}$

通过以上可以得到结论，采用转子磁场角度定向简单，无需复杂的磁链观测，即可据本发明的方法可以满足用户要求工作的功率因数任意可调的需求。可以给定功率因数自动计算电流给定，使电机即可在容性状态（向电网提供无功），也可工作在感性工作状态（从电网吸收无功）。

本发明的方法采用转子磁场定向，定向角θ直接由传感器测量，定向精度高；所有控制量都在dq坐标下进行控制，整个控制结构简单清晰。本发明的方法在电流

分配方法中，考虑定子漏抗压降对功率因数的影响，对定子磁链进行控制，对功率因数控制更精确。在不改变整个控制结构的情况下，仅仅只需应用上述公式即可实现任意功率因数控制，方便高效。本发明通过功率因数角度的闭环控制实现了对功率因数的精确控制，同时可以抑制电机电感参数变化、系统鲁棒性好。最后，本发明对外接口为功率因数PF^*输入和容性/感性选择，便于用户理解，接口方便；且该控制方法可满足用户对任意功率因数实时控制的需求，例如可应用于电网，进行容性或感性补偿。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电励磁同步电机的控制方法，其特征在于，步骤为：

（1）由用户需求给定目标转速和功率因数PF^*；

（2）通过PI调节器对目标转速

进行闭环控制，得到定子力矩电流

计算给定功率因数角

实际功率因数角

并对功率因数角进行闭环控制，得到定子d轴补偿电流

（3）由定子q轴给定电流

定子磁链给定值

和定子d轴电流补偿量

根据下式计算定子d轴电流给定值励磁绕组电流给定值

$i_f^{*}=\frac{\sqrt{{{\mathrm{\φ}}_s}^2-{L_q}^2{i}_q^{*2}}-L_d{i}_d^{*}}{L_{\mathrm{ad}}};$

（4）对定子d、q轴电流

及励磁绕组电流给定值

进行闭环控制，由PI调节器输出给定定子电压u_d、u_q和转子励磁电压u_f；

（5）定子电压u_d、u_q经过“坐标变换”单元得到三相定子电压u_a、u_b、u_c，然后送入逆变器，给同步电机提供三相交流电源，最终实现对同步电机的控制。

2.根据权利要求1所述的电励磁同步电机的控制方法，其特征在于，利用励磁绕组电流给定值

和实际值i_f，通过PI调节器，得到励磁绕组电压u_f，为同步电机转子提供直流励磁电压。

3.根据权利要求1或2所述的电励磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述给定功率因数角

通过下式计算：感性角度计算：

容性角度计算：

4.根据权利要求1或2所述的电励磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述实际功率因数角

通过下式计算：

其中，电机输出功率P_m=1.5(u_di_d+u_qi_q)，无功功率Q_m=1.5(u_qi_d-u_di_q)。

5.根据权利要求1或2所述的电励磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述定子d轴补偿电流通过下式计算：

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