CN103607156A - 一种混合励磁同步电机功率因数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合励磁同步电机功率因数控制方法，控制d轴、q轴和励磁绕组电流，保持混合励磁同步电机运行时功率因数恒等于1。电机运行于低速区时，根据负载大小控制d轴、q轴和励磁绕组电流来保持功率因数为1，当负载转矩小于等于额定转矩时，励磁绕组电流为0，通过控制d轴、q轴电流使功率因数为1；当负载转矩大于额定转矩时，通过d轴、q轴和励磁绕组电流的协调控制使功率因数为1；电机运行于高速区时，利用d轴电流与励磁绕组电流共同弱磁，通过d轴、q轴和励磁绕组电流协调控制功率因数恒等于1。混合励磁同步电机功率因数恒等于1的控制方法使逆变器的容量得到充分利用，提高了电网的输电效率，特别适用于大功率调速系统。

Description

一种混合励磁同步电机功率因数控制方法

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，涉及一种电流分配策略，特别是涉及一种混合励磁同步电机控制方法。

背景技术

混合励磁同步电机是在永磁同步与电励磁同步电机的基础上发展起来的一种宽调速电机，其主要目的是为了解决永磁同步电机气隙磁场难以调节的问题。混合励磁同步电机具有两种励磁源，一种是永磁体，另一种是电励磁，永磁体产生的磁势为主磁势，励磁绕组产生的磁势为辅磁势。这种电机结合了永磁同步与电励磁同步电机的优点，两种励磁源在电机气隙中相互作用产生主磁通，当电励磁线圈通入正向的励磁电流时，产生正向电磁转矩而增大了电机转矩；反之，当电励磁线圈通入反向励磁电流时，则产生反向磁场削弱气隙磁场达到弱磁升速的目的，从而拓宽了电机的调速范围。

目前，对于混合励磁电机控制方法及驱动系统研究还较少，相关文献不是很多，基本可以分为两种：

（1）id=0的控制方法

id=0控制是混合励磁同步电机矢量控制中最为简单且使用最为广泛的一种控制算法，计算量小、控制方便；缺点是随输出转矩的增大，端电压增加较快，对逆变器容量要求提高，当负载增大时，功率因数降低。

（2）铜耗最小的控制方法

铜耗最小控制方法是在输出所要求的转矩下，保持铜耗最小。相对于id=0控制，铜耗最小控制提高了混合励磁同步电机的效率，功率因数也有所提高，但是在这种控制方法中，电机的功率因数还是随着负载的增大在减小。

发明内容

技术问题：本发明针对现有技术之不足，在分析现有混合励磁同步电机控制方法的基础上，提出了一种混合励磁同步电机功率因数控制方法。

技术方案：本发明的混合励磁同步电机功率因数控制方法，包括以下步骤：

（1）从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

（2）将采集的相电流i_a、i_b经信号调理和A/D转换，然后进行帕克变换，得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

（3）将实测转速n与给定转速n^*比较后得到转速偏差Δn，将转速偏差Δn输入速度调节器经比例积分运算后得到转矩参考值T_e ^*，将转矩参考值T_e ^*、实测转速n和给定转速n^*输入电流分配器，判断实际转速是否小于弱磁基速，如是，则电机运行于低速区，进入步骤4），否则，电机运行于高速区，进入步骤5）；

（4）判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，其中T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

当T_L≤T_N时，根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{L_q}}\\ i_{\mathrm{fref}=0}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)]\end{array}\right.$

其中，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值，i_fref为励磁绕组电流参考值；L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数；

当T_L＞T_N时，则根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}{L_q}}\\ i_{\mathrm{fref}=I_{\mathrm{fN}}}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)]\end{array}\right.$

其中，I_fN为励磁电流额定值，M_sf为电枢绕组与励磁绕组之间的互感。

（5）根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=\frac{U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{M_{\mathrm{sf}}}\\ i_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}[{\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})]}{L_q}}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}[{\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+(U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}))]}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)+U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})]\end{array}\right.$

其中，ω_e为电角速度，U_s为逆变器所能提供的最大电压。

（6）将d轴电流参考值i_dref和q轴电流i_qref分别与步骤（2）中的d轴电流i_d和q轴电流i_q比较后得d轴电流偏差Δi_d和q轴电流偏差Δi_q，将d轴电流偏差Δi_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将q轴电流偏差Δi_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对d轴电压u_d和q轴电压u_q进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；

同时将步骤（1）中采集的励磁电流i_f，经信号调理与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

本发明方法的一种优选方案中，步骤6）中的脉冲宽度调制模块为空间矢量脉冲宽度调制模块。

有益效果：现有混合励磁同步电机的id=0和铜耗最小控制方法存在诸多缺点，其中之一就是随着负载的增大，电机功率因数在减小，本发明通过步骤4）和步骤5）的功率因数控制方法，使得混合励磁同步电机无论运行在低速区还是高速区，都保持功率因数为1，所以本发明相对现有控制方法具有以下优点：

（1）功率因数为1使逆变器得到了充分利用；

（2）功率因数为1也同时提高了电网的输电效率

所以功率因数保持为1的控制方法非常适用于大功率调速系统。

附图说明

图1是本发明方法的逻辑流程框图；

图2是本发明方法的系统框图；

图3是实现本发明方法的结构框图；

图4是电流分配结构框图。

具体实施方式

图3为实现本发明混合励磁同步电机功率因数控制方法的系统框图，该控制系统由交流电源、整流器、母线电容、DSP控制器、主功率变换器、辅功率变换器、传感器、混合励磁同步电机、光电编码器等组成。

交流电源给整个系统供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、辅功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、辅功率变换器的输出端接混合励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器，编码器信号采集转速与转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与转速。控制器输出10路PWM信号分别驱动主、励磁功率变换器。

本发明的混合励磁同步电机功率因数控制方法，图3所示，具体包括以下步骤：

（1）三个霍尔电流传感器分别从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护等信号调理后送入控制器，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集信号，处理送入控制器计算得出转速n和转子位置角θ；

（2）将送入控制器的相电流i_a、i_b进行A/D转换，经过三相坐标系到两相旋转坐标系的帕克变换得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

（3）将编码器实测转速n与给定转速n^*比较后得到转速偏差Δn，转速偏差Δn进入速度调节器后得到转矩参考值T_e ^*，将转矩参考值T_e ^*、实测转速n和给定转速n^*送入电流分配器，判断实际转速n是否小于弱磁基速n_Bdec，如是，则电机运行于低速区，进入步骤4），否则，电机运行于高速区，进入步骤5）；

（4）判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

下面分析混合励磁同步电机的功率因数控制原理，根据矢量控制原理，在d-q坐标系中，得出混合励磁同步电机的数学模型。

磁链方程：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d\\ {\mathrm{\ψ}}_q\\ {\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{L}_d& 0& M_{\mathrm{sf}}\\ 0& L_q& 0\\ 3/2M_{\mathrm{sf}}& 0& L_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_f\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_m\\ 0\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{mf}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

电压方程：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=R_s{i}_d+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_d}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_q\\ u_q=R_s{i}_d+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_d\\ u_f=R_f{i}_f+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_f}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

转矩方程：

$T_e=\frac{3}{2}p{i}_q[{\mathrm{\ψ}}_m+i_q(L_d-L_q)+M_{\mathrm{sf}}{i}_f]---\left(3\right)$

其中，i_d、i_q分别为d轴与q轴电流，i_f为励磁绕组电流；L_d、L_q分别为d轴与q轴电感，M_sf为电枢与励磁绕组之间的互感；ω_e为电角速度；ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数，u_d、u_q分别为d轴与q轴的电压，u_f为励磁绕组电压；R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；ψ_d、ψ_q、ψ_f分别d轴、q轴与励磁绕组磁链；ψ_m为永磁体磁链幅值，ψ_mf为永磁体穿过励磁绕组的磁链。

当T_L≤T_N时，保持

得

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\ω}}_e{L}_q{i}_q}{{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_d)}=\frac{i_d}{i_q}\\ i_f=0\\ T_e=\frac{3}{2}p{i}_q[{\mathrm{\ψ}}_m+i_d(L_d-L_q)]\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据上式计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{L_q}}\\ i_{\mathrm{fref}=0}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)]\end{array}\right.---\left(5\right)$

当T_L＞T_N时，保持得

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\ω}}_e{L}_q{i}_q}{{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pm}}+L_d{i}_d+M_{\mathrm{sf}}{i}_f)}=\frac{i_d}{i_q}\\ i_f=I_{\mathrm{fN}}\\ T_e=\frac{3}{2}p{i}_q[{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pm}}+i_d(L_d-L_q)+M_{\mathrm{sf}}{i}_f]\end{array}\right.---\left(6\right)$

则根据上式计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}{L_q}}\\ i_{\mathrm{fref}=I_{\mathrm{fN}}}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)]\end{array}\right.---\left(7\right)$

（5）保持

弱磁计算时忽略d轴的反电势，得

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\ω}}_e{L}_q{i}_q}{{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pm}}+L_d{i}_d+M_{\mathrm{sf}}{i}_f)}=\frac{i_d}{i_q}\\ \frac{U_s}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pm}}+L_d{i}_d+M_{\mathrm{sf}}{i}_f}={\mathrm{\ω}}_e\\ T_e=\frac{3}{2}p{i}_q[{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pm}}+i_d(L_d-L_q)+M_{\mathrm{sf}}{i}_f]\end{array}\right.---\left(8\right)$

根据上式计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=\frac{U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{M_{\mathrm{sf}}}\\ i_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}[{\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})]}{L_q}}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}[{\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+(U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}))]}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)+U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})]\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，ω_e为电角速度，U_s为逆变器所能提供的最大电压。

（6）将d轴电流参考值i_dref和q轴电流i_qref分别与步骤（2）中的d轴电流i_d和q轴电流i_q比较后得d轴电流偏差Δi_d和q轴电流偏差Δi_q，将Δi_d与Δi_q分别送入d轴电流调节器与q轴电流调节器，得到d轴电压u_d和q轴电压u_q，进行旋转正交-静止两相变换后得到静止两相坐标系下的电压信号u_α与u_β，送入空间矢量脉冲宽度调制模块后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤（1）中采集的励磁电流i_f，经信号调理与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

Claims (2)

1.一种混合励磁同步电机功率因数控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

（2）将采集的相电流i_a、i_b经信号调理和A/D转换，然后进行帕克变换，得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

（3）将实测转速n与给定转速n^*比较后得到转速偏差Δn，将所述转速偏差Δn输入速度调节器经比例积分运算后得到转矩参考值T_e ^*，将转矩参考值T_e ^*、实测转速n和给定转速n^*输入电流分配器，判断实际转速是否小于弱磁基速，如是，则电机运行于低速区，进入步骤4），否则，电机运行于高速区，进入步骤5）；

（4）判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，其中T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

当T_L≤T_N时，根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{L_q}}\\ i_{\mathrm{fref}=0}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)]\end{array}\right.$

其中，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值，i_fref为励磁绕组电流参考值，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数；

当T_L＞T_N时，则根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}{L_q}}\\ i_{\mathrm{fref}=I_{\mathrm{fN}}}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)]\end{array}\right.$

其中，I_fN为励磁电流额定值，M_sf为电枢绕组与励磁绕组之间的互感。

（5）根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=\frac{U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})}{M_{\mathrm{sf}}}\\ i_{\mathrm{qref}}=\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}[{\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})]}{L_q}}\\ {T_e}^{*}=\frac{3}{2}p\sqrt{\frac{i_{\mathrm{dref}}[{\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}+(U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}}))]}{L_q}}[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{\mathrm{dref}}(L_d-L_q)+U_s-{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{\mathrm{dref}})]\end{array}\right.$

其中，ω_e为电角速度，U_s为逆变器所能提供的最大电压。

（6）将d轴电流参考值i_dref和q轴电流i_qref分别与所述步骤（2）中的d轴电流i_d和q轴电流i_q比较后得d轴电流偏差Δi_d和q轴电流偏差Δi_q，将所述d轴电流偏差Δi_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将q轴电流偏差Δi_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对所述d轴电压u_d和q轴电压u_q进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将所述α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；

同时将步骤（1）中采集的励磁电流i_f，经信号调理与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

2.根据权利要求书1所述的混合励磁同步电机功率因数控制方法，所述步骤6）中的脉冲宽度调制模块为空间矢量脉冲宽度调制模块。

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