CN103944478A - 一种交流励磁同步电机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种交流励磁同步电机控制装置及方法，属于机电控制工程领域，本发明采用变频控制器对绕线式电机转子绕组进行交流励磁的方法，通过转子控制电机的励磁电流，提高励磁效率，使系统的容量降至电机容量的20％以内，大幅度减少了变频控制器的容量，大大降低了设备成本；而电机运行的有功功率通过电网由定子绕组提供，可以控制到定子侧功率因数为1，励磁控制使调速系统更加合理，高效，实现四象限运行。

Description

一种交流励磁同步电机控制装置及方法

技术领域

本发明属于机电控制工程领域，具体涉及一种交流励磁同步电机控制装置及方法。

背景技术

现有的变频调速系统基本都是将变频器作用于交流电机的定子端，不仅要提供电机运行的有功电流，还要提供维持磁场的励磁电流，导致变频器容量必须大于等于电机容量，这样一来变频器使用的开关管、电容器、电抗器，甚至导线等所有元器件的容量选择、耐压及电流额定值都要足够大，使其与电机匹配，特别是在一些兆瓦级系统中需要大量开关器件的串联以实现电机的控制，造成变频器成本很高。现有的交流异步电机励磁效率太低，浪费能源；交流同步电机需要独立的励磁单元或造价昂贵的永磁体，大大提高了系统的成本。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提出一种交流励磁同步电机控制装置及方法，以达到提高励磁效率、使系统的容量降至电机容量的20％以内、大幅度减少变频控制器的容量、降低设备成本，实现调速系统更加合理、高效的目的。

一种交流励磁同步电机控制装置，包括频率转换模块、转速环调节器、转子电流计算模块、电流环调节器、SVPWM模块、坐标变换模块、第一角度转换模块、第二角度转换模块、逆变器、定子磁链计算模块、第一电流互感器和第二电流互感器，其中，

频率转换模块：用于根据电网工频与目标频率之间的关系，获得设定的目标频率所对应的励磁目标频率，并将励磁目标频率发送至转速环调节器中；

转速环调节器：初始状态时，用于采用PI控制算法对励磁目标频率进行计算，获得转子励磁频率，并将转子励磁频率发送至转子电流计算模块；产生反馈信号时，用于采用PI控制算法对励磁反馈频率与励磁目标频率之间的偏差进行计算，获得新的转子励磁频率，并将新的转子励磁频率发送至转子电流计算模块；

转子电流计算模块：用于根据转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系，确定获得的转子励磁频率所对应的转子励磁电压；再根据电机反电势、电机转子电阻、电机转子电感、电机滑差与转子励磁电压之间的关系，获得给定转子励磁电流，并将给定转子励磁电流发送至电流环调节器中；

电流环调节器：初始状态时，用于采用PI控制算法对给定转子励磁电流进行计算，获得参考电压矢量，并发送至SVPWM模块中；当产生反馈信号时，用于采用PI控制算法对反馈转子电流与给定转子励磁电流之间的差值进行计算，获得新的参考电压矢量，并发送至SVPWM模块中；

SVPWM模块：用于采用空间矢量调制方法，根据给定的系统直流母线电压值对参考电压矢量的幅值进行限制；并根据获得的定子磁链电角度、电机转子的初始机械空间电角度、励磁电流空间磁链电角度和拉力电角度确定参考电压矢量旋转的角度，获得逆变器中六个开关管的驱动信号，并发送至逆变器中；

逆变器：用于将直流母线电压通过三路六个开关管逆变成三相交流电压，发送驱动信号，实现对电机转子的驱动，控制电机转子的转动；

定子磁链计算模块：用于对采集的电网三相电流进行计算，获得定子磁链电角度，并发送至SVPWM模块中；

坐标变换模块：包括克拉克变换及帕克变换，用于对采集的三相转子电流进行坐标变换，获得反馈转子电流；

第一角度转换模块：用于对励磁目标频率进行角度转换，获得励磁电流空间磁链电角度，并将获得的励磁电流空间磁链电角度发送至SVPWM模块；

第二角度转换模块：用于对实际转动频率进行角度变换，获得实际转子机械空间电角度，并将实际转子机械空间电角度反馈至SVPWM模块；

第一电流互感器：用于采集电网三相电流，并将采集的电网三相电流发送至定子磁链计算模块中；

第二电流互感器：用于采集三相转子电流，将三相转子电流发送至克拉克-帕克变换模块中。

所述的电机采用绕线式电机。

该装置功率容量为电机定子侧功率容量的20％以内，用于提供转子励磁所需能量。

采用交流励磁同步电机控制装置进行控制的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用第一电流互感器检测电网三相电流，并将采集到的电网三相电流通过定子磁链计算模块计算获得定子磁链电角度，并发送至SVPWM模块中；

计算获得定子磁链电角度的公式如下：

$i_s({2\mathrm{\πf}}_{N}t+\mathrm{\β})=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_{\mathrm{As}}+i_{\mathrm{Bs}}{e}^{j2\mathrm{\π}/3}+i_{\mathrm{Cs}}{\left(e^{j2\mathrm{\π}/3}\right)}^2]---\left(1\right)$

其中，i_As表示绕线式电机定子侧A相电流的瞬时值；i_Bs表示绕线式电机定子侧B相电流的瞬时值；i_Cs表示绕线式电机定子侧C相电流的瞬时值；i_s表示合成电流的瞬时值；β表示定子磁链电角度；f_N表示电网工频；t表示系统运行时间；

步骤2、采用设置于电机定子上的电机位置传感器获得电机转子的初始机械空间电角度，并发送至SVPWM模块中；

步骤3、设定目标频率，根据实际需求确定电机为正转或反转，根据电网工频与目标频率之间的关系获得励磁目标频率，将励磁目标频率发送至转速环调节器中，并将励磁目标频率通过角度转换获得励磁电流空间磁链电角度，将获得的励磁电流空间磁链电角度发送至SVPWM模块中；

获得励磁目标频率公式如下：

电机正转：

f_in′＝f_N-f_in   (2)

其中，f_N表示电网工频；f_in′表示励磁目标频率；f_in表示目标频率；in表示输入，即input；N表示工频；

电机反转：

f_in′＝f_N+f_in   (3)

获得励磁电流空间磁链电角度公式如下：

${\mathrm{\α}}_d={\∫}_0^t{f_{\mathrm{in}}}^{\′}\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中，α_d表示励磁电流空间磁链电角度，α_d∈[0，2π)；

步骤4、采用PI控制算法对励磁目标频率进行计算，获得转子励磁频率；

步骤5、采用转子电流计算模块对转子励磁频率进行计算获得给定转子励磁电流，并发送至电流环调节器，具体如下：

步骤5-1、根据电机转子侧的额定电压和同步频率确定坐标系中一个点，根据低速补偿电压点和零频确定坐标系中第二个点，上述两点连线构建转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系；

步骤5-2、根据转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系，确定获得的转子励磁频率所对应的转子励磁电压；

步骤5-3、根据电机反电势、电机转子电阻、电机转子电感、电机滑差与转子励磁电压之间的关系，获得给定转子励磁电流；

获得给定转子励磁电流公式如下：

${I_r}^{\′}=\frac{V_r-E_r}{r_2^{\′}{L}_2^{\′}s}---\left(5\right)$

其中，I_r′表示给定转子励磁电流；V_r表示转子励磁电压；E_r表示电机反电势；r′₂表示电机转子电阻；L′₂表示电机转子电感；s表示电机滑差；

步骤6、采用PI控制算法对给定转子励磁电流进行计算，获得参考电压矢量，并发送至SVPWM模块中；

步骤7、在SVPWM模块中采用空间矢量调制方法对参考电压矢量进行处理，获得逆变器中六个开关管的控制信号，具体如下：

步骤7-1、根据给定的系统直流母线电压值限制参考电压矢量的大小；

给定的系统直流母线电压与参考电压矢量的关系式如下：

$V_{\mathrm{ref}}\≤\frac{\sqrt{3}}{3}{V}_{\mathrm{dc}}---\left(6\right)$

其中，V_ref表示参考电压矢量，ref表示参考，即reference；V_dc表示给定的系统直流母线电压，dc表示直流；

步骤7-2、根据定子磁链电角度、电机转子的初始机械空间电角度、励磁电流空间磁链电角度和拉力电角度确定参考电压矢量旋转的角度；

定子磁链电角度、转子磁链电角度和拉力电角度之间的关系式如下；

α＝β+λ   (7)

转子磁链电角度、电机转子的机械空间电角度和励磁电流空间磁链电角度之间的关系式如下：

α＝α_r+α_d   (8)

其中，α表示转子磁链电角度，即参考电压矢量旋转的角度，β表示定子磁链电角度；λ表示拉力电角度，取值为±90°；α_r表示电机转子的机械空间电角度；α_d表示励磁电流空间磁链电角度；r表示转子，即rotor；d表示励磁；

步骤7-3、获得新的参考电压矢量及采样周期，确定新的参考电压矢量所处的六边形扇区，并将新的参考电压矢量分解为两个相邻非零矢量与一个零矢量，计算两个电压矢量和零矢量的作用时间，将三个矢量的作用时间作为逆变器中三个桥臂上三个开关管的驱动信号，将分解后的两个电压矢量和原点的零电压矢量进行取反，将取反后的电压矢量作为逆变器中三个桥臂上另外三个开关管的驱动信号；

步骤8、逆变器发送驱动电压信号至电机，产生三相转子电流控制电机转动；

步骤9、采用码盘检测电机转子的实际转动频率，并将实际转动频率进行角度变换，获得实际转子机械空间电角度，并反馈至SVPWM模块，实现对励磁电流空间磁链电角度调节，即对目标频率的调节；

步骤10、将码盘检测到的实际转子转动频率与同步频率比较做差，获得励磁反馈频率，并计算出新的反电势反馈至转子电流计算模块；

新的反电势E_r的计算公式如下：

E_r＝4.44f_sN_yk_yφ_m   (9)

其中，N_y表示绕组的匝数；k_y表示电动势系数；φ_m表示磁通最大值；

步骤11、将励磁反馈频率与励磁目标频率进行比较做差，并将偏差值发送至转速环调节器获得新的转子励磁频率，并返回执行步骤5；

步骤12、采用第二电流互感器采集三相转子电流，将三相转子电流进行克拉克变换和帕克变换，获得反馈转子电流，并将反馈转子电流与给定转子励磁电流进行比较做差，将偏差值发送至电流环调节器获得新的参考电压矢量，并返回执行步骤7；

步骤13：当电机转子的转动频率与目标频率相等时，结束。

步骤7-2所述的拉力角取值为±90°，当λ＝90°时，为电动状态，当λ＝-90°时，为回馈状态。

本发明优点：

本发明一种交流励磁同步电机控制装置及方法，采用变频控制器对绕线式电机转子绕组进行交流励磁的方法，通过转子控制电机的励磁电流，提高励磁效率，使系统的容量降至电机容量的20％以内，大幅度减少了变频控制器的容量，大大降低了设备成本；而电机运行的有功功率通过电网由定子绕组提供，可以控制到定子侧功率因数为1，励磁控制使调速系统更加合理，高效，实现四象限运行。

附图说明

图1为本发明的交流励磁同步电机控制装置结构框图；

图2为本发明一种实施例的逆变器拓扑结构图；

图3为本发明一种实施例的交流励磁同步电机控制方法流程图；

图4为本发明一种实施例的给定频率转换曲线图；

图5为本发明一种实施例的交流励磁同步电机T形等效电路图；

图6为本发明一种实施例的交流励磁同步电机相量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

如图1所示，本发明实施例中，交流励磁同步电机控制装置包括频率转换模块、转速环调节器、转子电流计算模块、电流环调节器、SVPWM模块、坐标变换模块、第一角度转换模块、第二角度转换模块、逆变器、定子磁链计算模块、第一电流互感器和第二电流互感器，本发明实施例中，第一电流互感器和第二电流互感器采用LTSR6-NP电流霍尔传感器，电机采用绕线式电机，电机定子侧接与电机定子电压相同的三相交流电网，产生频率为电网工频f_N的定子磁链ψ₁，转子侧接变频控制器，变频控制器包括频率转换模块、转速环调节器、转子电流计算模块、电流环调节器、SVPWM模块、坐标变换模块、第一角度转换模块、第二角度转换模块、逆变器和定子磁链计算模块，变频控制器输入量为磁目标频率f_in′、电机转子的实际运行频率f_r和三相转子电流i_Ar，i_Br，i_Cr；变频控制器的容量可以在20％以内，甚至可以减少至定子侧容量的10％，大大减少了控制器的容量，变频控制器输出的励磁电压的幅值、频率、相位均可调整，以控制励磁的磁场的大小、相对于转子本体的位置和电机的转子转速(通过改变V_ref可以控制励磁电压幅度，通过改变α_d可以改变频率和相位)。

本发明实施例中，频率转换模块用于根据电网工频f_N与目标频率f_in之间的关系，获得设定的目标频率所对应的励磁目标频率f′_in，并将励磁目标频率f′_in发送至转速环调节器中；

本发明实施例中，初始状态时，转速环调节器用于采用PI控制算法对励磁目标频率f′_in进行计算，获得转子励磁频率f_d，并将转子励磁频率f_d发送至转子电流计算模块；产生反馈信号时，用于采用PI控制算法对励磁反馈频率f_s与励磁目标频率f′_in之间的偏差进行计算，获得新的转子励磁频率f′_d，并将新的转子励磁频率f′_d发送至转子电流计算模块；

本发明实施例中，转子电流计算模块用于根据转子励磁频率f_d(或f′_d)和转子励磁电压V_r之间的线性关系，确定获得的转子励磁频率f_d(或f′_d)所对应的转子励磁电压V_r；再根据电机反电势E_r、电机转子电阻r′₂、电机转子电感L′₂、电机滑差s与转子励磁电压V_r之间的关系，获得给定转子励磁电流I_r′，并将给定转子励磁电流I_r′发送至电流环调节器中；

本发明实施例中，初始状态时，电流环调节器用于采用PI控制算法对给定转子励磁电流I_r′进行计算，获得参考电压矢量V_ref，并发送至SVPWM模块中；当产生反馈信号时，用于采用PI控制算法对反馈转子电流i_df与给定转子励磁电流I_r′之间的差值进行计算，获得新的参考电压矢量V′_ref，并发送至SVPWM模块中；

本发明实施例中，SVPWM模块用于采用空间矢量调制方法，根据给定的系统直流母线电压值V_dc对参考电压矢量V_ref的幅值进行限制；并根据获得的定子磁链电角度α、电机转子的初始机械空间电角度α_r、励磁电流空间磁链电角度α_d和拉力电角度λ确定参考电压矢量旋转的角度α，获得逆变器中六个开关管的驱动信号，并发送至逆变器中；

如图2所示，本发明实施例中，逆变器中包括六个开关光S₁，S₂，S₃，S₄，S₅，S₆，逆变器用于将直流母线电压U_dc通过三路六个开关管逆变成三相交流电压，三相交流电压产生三相转子电流i_Ar，i_Br，i_Cr，发送驱动信号，实现对电机转子的驱动，控制电机转子的转动；本实施例中，逆变器三个输出端连接电机转子的三个输入端；

本发明实施例中，定子磁链计算模块用于对采集的电网三相电流i_As，i_Bs，i_Cs进行计算，获得定子磁链电角度β，并发送至SVPWM模块中；

本发明实施例中，坐标变换模块包括克拉克变换及帕克变换，用于对采集的三相转子电流进行坐标变换，获得反馈转子电流i_df；

本发明实施例中，第一角度转换模块用于对励磁目标频率f_in′进行角度转换，获得励磁电流空间磁链电角度α_d，并将获得的励磁电流空间磁链电角度α_d发送至SVPWM模块；

本发明实施例中，第二角度转换模块用于对实际转动频率f_r进行角度变换，获得实际转子机械空间电角度α_r，并将实际转子机械空间电角度α_r反馈至SVPWM模块；

本发明实施例中，第一电流互感器用于采集电网三相电流i_As，i_Bs，i_Cs，并将采集的电网三相电流i_As，i_Bs，i_Cs发送至定子磁链计算模块中；

本发明实施例中，第二电流互感器用于采集三相转子电流i_Ar，i_Br，i_Cr，将三相转子电流i_Ar，i_Br，i_Cr发送至克拉克-帕克变换模块中。

采用交流励磁同步电机控制装置进行控制的方法，方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、采用第一电流互感器检测电网三相电流i_As，i_Bs，i_Cs，并将采集到的电网三相电流i_As，i_Bs，i_Cs通过定子磁链计算模块计算获得定子磁链电角度β，并发送至SVPWM模块中；

本发明实施例中，设定定子A相绕组轴线的位置为磁链的零位，检测定子A相电流的相位，确定定子磁势的电角度β(定子磁链位置角)

计算获得定子磁链电角度β的公式如下：

$i_s({2\mathrm{\πf}}_{N}t+\mathrm{\β})=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_{\mathrm{As}}+i_{\mathrm{Bs}}{e}^{j2\mathrm{\π}/3}+i_{\mathrm{Cs}}{\left(e^{j2\mathrm{\π}/3}\right)}^2]---\left(1\right)$

其中，i_As表示绕线式电机定子侧A相电流的瞬时值；i_Bs表示绕线式电机定子侧B相电流的瞬时值；i_Cs表示绕线式电机定子侧C相电流的瞬时值；i_s表示合成电流的瞬时值；β表示定子磁链电角度；f_N表示电网工频；t表示系统运行时间；

步骤2、采用设置于电机定子上的电机位置传感器获得电机转子的初始机械空间电角度，并发送至SVPWM模块中；

本发明实施例中，采用码盘实时检测转子位置及速度并计算出转子A相所在空间位置与转子A轴的角度α_r；

步骤3、设定目标频率，根据实际需求确定电机为正转或反转，根据电网工频与目标频率之间的关系获得励磁目标频率，将励磁目标频率发送至转速环调节器中，并将励磁目标频率通过角度转换获得励磁电流空间磁链电角度，将获得的励磁电流空间磁链电角度发送至SVPWM模块中；

如图4所示，根据电机的正转或者反转分别求得励磁目标频率；

获得励磁目标频率公式如下：

电机正转：

f_in′＝f_N-f_in    (2)

其中，f_N表示电网工频，本实施例中取值为50Hz；f_in′表示励磁目标频率；f_in表示目标频率；in表示输入，即input；N表示工频；

电机反转：

f_in′＝f_N+f_in   (3)

获得励磁电流空间磁链电角度公式如下：

${\mathrm{\α}}_d={\∫}_0^t{f_{\mathrm{in}}}^{\′}\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中，α_d表示励磁电流空间磁链电角度，α_d∈[0，2π)；

步骤4、采用PI控制算法对励磁目标频率进行计算，获得转子励磁频率；

步骤4所述的采用PI控制算法对励磁目标频率进行计算，公式如下：

$f_d=K_P[({f_{\mathrm{in}}}^{\′}-f_s)+1/T_i{\∫}_0^t({f_{\mathrm{in}}}^{\′}-f_s)\mathrm{dt}]---\left(12\right)$

其中，K_P表示比例系数，T_i表示积分系数。

步骤5、采用转子电流计算模块对转子励磁频率进行计算获得给定转子励磁电流，并发送至电流环调节器，具体如下：

步骤5-1、根据电机转子侧的额定电压和同步频率确定坐标系中一个点，根据低速补偿电压点和零频确定坐标系中第二个点，上述两点连线构建转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系；

步骤5-2、根据转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系，确定获得的转子励磁频率所对应的转子励磁电压；

步骤5-3、根据电机反电势、电机转子电阻、电机转子电感、电机滑差与转子励磁电压之间的关系，获得给定转子励磁电流；

获得给定转子励磁电流公式如下：

${I_r}^{\′}=\frac{V_r-E_r}{r_2^{\′}{L}_2^{\′}s}---\left(5\right)$

其中，I_r′表示给定转子励磁电流；V_r表示转子励磁电压；E_r表示电机反电势；r′₂表示电机转子电阻；L′₂表示电机转子电感；s表示电机滑差；

步骤6、采用PI控制算法对给定转子励磁电流进行计算，获得参考电压矢量，并发送至SVPWM模块中；

采用PI控制算法对给定转子励磁电流进行计算，公式如下：

$V_{\mathrm{ref}}=K_P[({I_r}^{\′}-i_{\mathrm{df}})+1/T_i{\∫}_0^t({I_r}^{\′}-i_{\mathrm{df}})\mathrm{dt}]---\left(13\right)$

其中，K_P表示比例系数，T_i表示积分系数。

步骤7、在SVPWM模块中采用空间矢量调制方法对参考电压矢量进行处理，获得逆变器中六个开关管的控制信号，具体如下：

步骤7-1、根据给定的系统直流母线电压值限制参考电压矢量的大小；

给定的系统直流母线电压与参考电压矢量的关系式如下：

$V_{\mathrm{ref}}\≤\frac{\sqrt{3}}{3}{V}_{\mathrm{dc}}---\left(6\right)$

其中，V_ref表示参考电压矢量，ref表示参考，即reference；V_dc表示给定的系统直流母线电压，dc表示直流；

步骤7-2、根据定子磁链电角度、电机转子的初始机械空间电角度、励磁电流空间磁链电角度和拉力电角度确定参考电压矢量旋转的角度；

本发明实施例中，满足如下计算公式：

f_r＝f_N-f_in   (14)

定义定子磁链(或磁势)在空间中与转子磁链(或磁势)之间电角度的夹角为拉力角λ，如果要求电机反转，则f_r为负，说明转子绕组励磁频率f_in应该是大于f_N；

定子磁链电角度、转子磁链电角度和拉力电角度之间的关系式如下；

α＝β+λ   (7)

转子磁链电角度、电机转子的机械空间电角度和励磁电流空间磁链电角度之间的关系式如下：

α＝α_r+α_d   (8)

其中，α表示转子磁链电角度，即参考电压矢量旋转的角度，β表示定子磁链电角度；λ表示拉力电角度，取值为±90°，当λ＝90°时，为电动状态，当λ＝-90°时，为回馈状态；α_r表示电机转子的机械空间电角度；α_d表示励磁电流空间磁链电角度；r表示转子，即rotor；d表示励磁；

本发明实施例中，为实现电机励磁全部由所述转子侧变频控制器提供，本发明所述拉力角λ控制在：λ＝90°；这时电机处于电动状态。当需要电机运行在发电状态时，可以控制λ＝-90°，即转子磁链电角度引前定子磁链电角度90°。

本发明实施例中，令转子磁链电角度α与定子磁链电角度β相差90°，稳定运行，在电动状态下，若转子磁势频率f_in≤f_N，本实施例中f_in′＝30Hz，f_N＝50Hz，则转子实际运行频率f_r＝f_N-f_in′＝50Hz-30Hz＝20Hz，电机以20Hz的速度正转；；如果转子通70Hz电流，即转子励磁给定频率为f_in′＝70Hz，则转子实际运行频率以

f_r＝f_N-f_in′＝50Hz-70Hz＝-20Hz，电机以20Hz的速度反转。调节转子电流的频率就可以使转子调速。

步骤7-3、获得新的参考电压矢量及采样周期，确定新的参考电压矢量所处的六边形扇区，并将新的参考电压矢量分解为两个相邻非零矢量与一个零矢量，计算两个电压矢量和零矢量的作用时间，将三个矢量的作用时间作为逆变器中三个桥臂上三个开关管的驱动信号，将分解后的两个电压矢量和原点的零电压矢量进行取反，将取反后的电压矢量作为逆变器中三个桥臂上另外三个开关管的驱动信号；

本发明实施例中，采用空间矢量调制方法(该方法为现有技术)根据步骤7-1所获得的参考矢量长度及根据步骤7-2所获得的旋转角度；确定参考矢量所处空间矢量图(六边形)的扇区号，并根据伏秒平衡原理(该原理为现有技术)，计算两个电压矢量和零矢量的作用时间。

步骤8、逆变器发送驱动电压信号至电机，产生三相转子电流控制电机转动；

步骤9、采用码盘检测电机转子的实际转动频率，并将实际转动频率进行角度变换，获得实际转子机械空间电角度，并反馈至SVPWM模块，实现对励磁电流空间磁链电角度调节，即对目标频率的调节；

步骤10、将码盘检测到的实际转子转动频率与同步频率比较做差，获得励磁反馈频率，并计算出新的反电势反馈至转子电流计算模块；

新的反电势E_r的计算公式如下：

E_r＝4.44f_sN_yk_yφ_m   (9)

其中，N_y表示绕组的匝数；k_y表示电动势系数；φ_m表示磁通最大值；

步骤11、将励磁反馈频率与励磁目标频率进行比较做差，并将偏差值发送至转速环调节器获得新的转子励磁频率，并返回执行步骤5；

步骤12、采用第二电流互感器采集三相转子电流，将三相转子电流进行克拉克变换和帕克变换，获得反馈转子电流，并将反馈转子电流与给定转子励磁电流进行比较做差，将偏差值发送至电流环调节器获得新的参考电压矢量，并返回执行步骤7；

本发明实施例中，将三相静止坐标系ABC经过空间矢量变换到两相静止坐标系αβ的变换，称为克拉克变换，其变换的物理意义是用两相交流绕组代替实际电机的三相交流绕组；由两相静止坐标系αβ经过空间矢量变换到两相旋转坐标系dq的变换，称之为帕克变换，其变换的物理意义是用两相直流绕组代替实际电机的三相交流绕组；

克拉克变换和帕克变换，变换公式如下：

克拉克变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{Ar}}\\ i_{\mathrm{Br}}\\ i_{\mathrm{Cr}}\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中，i_Ar，i_Br，i_Cr表示转子三相电流，i_α，i_β表示在两相静止坐标系下的电流；

帕克变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{df}}\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(11\right)$

将其中i_df作为反馈电流；

其中，i_df，i_q表示两相旋转坐标系下的电流。

步骤13：当电机转子的转动频率与目标频率相等时，结束。

本发明实施例，绕线式电机等效电路如附图5所示，等效电路中各物理量有如下关系：

${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{E}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_1(r_1+{\mathrm{j\ωx}}_1)---\left(15\right)$

其中，为定子端电压，为定子电压产生的感应电势，为定子电流，r₁为定子电阻，x₁为定子电抗；

${\stackrel{\·}{U}}_2^{\′}/s={\stackrel{\·}{E}}_2^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}({r_2}^{\′}/s+{{\mathrm{j\ωx}}_2}^{\′})---\left(16\right)$

其中，为折算后的转子端电压，为转子电压产生的感应电势，为折算到定子侧的转子电流，r₂′/s为折算到定子侧的转子电阻，x₂′为折算到定子侧的转子电抗；

${\stackrel{\·}{E}}_1=-{\stackrel{\·}{E}}_2^{\′}={\stackrel{\·}{I}}_m(r_m+{\mathrm{j\ωx}}_m)---\left(17\right)$

其中，表示励磁电流；r_m表示铁损等效电阻；x_m表示磁化电抗；

${\stackrel{\·}{I}}_1={\stackrel{\·}{I}}_m+{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}---\left(18\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}={\stackrel{\·}{I}}_{21}+{\stackrel{\·}{I}}_{22}---\left(19\right)$

其中，表示定子电流在转子侧感应的电流；表示转子电流在转子侧感应的；

${\stackrel{\·}{I}}_{21}=-{{\stackrel{\·}{E}}_2}^{\′}/({r_2}^{\′}/s+{{\mathrm{j\ωx}}_2}^{\′})---\left(20\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{22}=-({\stackrel{\·}{U}}_2^{\′}/s)/({r_2}^{\′}+{{\mathrm{j\ωx}}_2}^{\′})---\left(21\right)$

其中，r′₂表示电机转子电阻；

本发明实施例中转子励磁，有如下关系：

${\stackrel{\·}{I}}_{21}=-{\stackrel{\·}{E}}_2/({r_2}^{\′}/s+{{\mathrm{j\ωx}}_2}^{\′})=0---\left(22\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_m=-{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}---\left(23\right)$

上述各个物理量构成如附图6所示的相量图，从图中可知，在控制转子励磁电流的方式下，可以实现与基本同向，即定子侧控制有功功率，功率因数接近1，提高系统效率；与约成90°，转子侧控制无功，仅为系统提供无功功率。

本发明实施例中，控制绕线式电机的能量输入端只有定子绕组(定子内阻损耗不计)，能量输出端只有机械轴；转子端输入的能量只供转子绕组内电阻损耗及铁芯磁损耗；未与定子侧的能量交换。

对于定子绕组来说，它不提供电机的励磁电流，只提供电机的转矩电流，功率因数为1，即cosφ＝1。

本发明实施例中，所述控制系统的无功功率有如下关系：

从转子方传到气隙的无功功率Q_qx为：

$Q_{\mathrm{qx}}=I_m({\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_2/s)-{{\stackrel{\·}{I}}_2}^2{x_{20}}^{\′}---\left(24\right)$

其中，表示无功源，也可以表示为x₂₀′表示转子侧漏抗；

进入气隙的无功Q₂为：

$Q_2=(1/s)Q_f-{{\stackrel{\·}{I}}_2}^2{x_{20}}^{\′}---\left(25\right)$

其中，(1/s)Q_f为励磁电源向转子方输入的无功功率；

电机建立气隙磁场所需励磁的无功功率Q_m为：

$Q_m={{\stackrel{\·}{I}}_n}^2{x}_m---\left(26\right)$

从定子方输给定子电网的无功Q₁为：

$Q_1=Q_2-{{\stackrel{\·}{I}}_1}^2{x}_{10}-Q_m---\left(27\right)$

其中，x₁₀为定子漏感；

在交流励磁绕线电动机的励磁无功功率Q_f：

$Q_f=s(Q_1+{{\stackrel{\·}{I}}_1}^2{x}_{10}+{{\stackrel{\·}{I}}_m}^2{x}_m+{{\stackrel{\·}{I}}_2}^2{x_{20}}^{\′})=s(Q_2+{{\stackrel{\·}{I}}_2}^2{x_{20}}^{\′})---\left(28\right)$

一般可以不向定子电网侧输送无功功率，即Q₁近似为零。

励磁端的容量S_f为：

$S_f^2=P_f^2+{Q_f}^2---\left(29\right)$

其中，P_f表示励磁有功功率；

本发明所述控制系统的有功功率有如下关系：

经气隙传递的电磁功率P_em从定子方表示为：

P_em＝P₁-p_Cu1-p_Fe   (30)其中，p_Cu1为电机铜损，p_Fe为电机铁损；P₁表示定子侧输入电机的电功率；

用转子方的功率表示电磁功率P_em为：

$P_{\mathrm{em}}=({\stackrel{\·}{I}}_2^2{R_2}^{\′}/s)-\mathrm{Re}[\left({\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_2\right)/s]={\stackrel{\·}{I}}_2^2{R_2}^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_2^2{R_2}^{\′}(1-s)/s-\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_2\right)-\mathrm{Re}[\left({\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_2\right)(1-s)/s]---\left(31\right)$

其中，为转子绕组的铜耗，为励磁系统输入转子的有功电功率； ${\stackrel{\·}{I}}_2^2{R_2}^{\′}-\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_2\right)=0,{\stackrel{\·}{I}}_2^2{R_2}^{\′}(1-s)/s$ 为轴上的机械功率。

当1＞s＞0时，为正，说明电机消耗电功率，转化为机械功率。转子所接变频控制器的电压与转子上的电流正交，转子中励磁电流是由转子变频器提供，则(在此分析时，忽略R₂′)。即转子变频器不向电机的机械轴上提供机械能。而转子输出的机械功率，完全由定子的电功率提供，机械功率P_Mec有如下关系：

P_Mec＝P_em-p_Mec＝P₁-p_Cu1-p_Fe-p_Mec   (32)

其中，p_Mec为机械轴上机械损耗。

由此可得，绕线电机的机械轴上机械功率由定子输入的电功率提供，励磁功率由转子所接变频励磁控制器提供；即保证定子磁势与转子磁势相差λ＝90°，定子侧与转子侧没有有功功率传递，所述交流励磁同步电机控制装置仅对绕线式电机的无功功率进行控制，大大减少了该装置对耐压耐流的要求，降低了装置成本。

Claims (5)

1.一种交流励磁同步电机控制装置，其特征在于，包括频率转换模块、转速环调节器、转子电流计算模块、电流环调节器、SVPWM模块、坐标变换模块、第一角度转换模块、第二角度转换模块、逆变器、定子磁链计算模块、第一电流互感器和第二电流互感器，其中，

频率转换模块：用于根据电网工频与目标频率之间的关系，获得设定的目标频率所对应的励磁目标频率，并将励磁目标频率发送至转速环调节器中；

转速环调节器：初始状态时，用于采用PI控制算法对励磁目标频率进行计算，获得转子励磁频率，并将转子励磁频率发送至转子电流计算模块；产生反馈信号时，用于采用PI控制算法对励磁反馈频率与励磁目标频率之间的偏差进行计算，获得新的转子励磁频率，并将新的转子励磁频率发送至转子电流计算模块；

转子电流计算模块：用于根据转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系，确定获得的转子励磁频率所对应的转子励磁电压；再根据电机反电势、电机转子电阻、电机转子电感、电机滑差与转子励磁电压之间的关系，获得给定转子励磁电流，并将给定转子励磁电流发送至电流环调节器中；

电流环调节器：初始状态时，用于采用PI控制算法对给定转子励磁电流进行计算，获得参考电压矢量，并发送至SVPWM模块中；当产生反馈信号时，用于采用PI控制算法对反馈转子电流与给定转子励磁电流之间的差值进行计算，获得新的参考电压矢量，并发送至SVPWM模块中；

SVPWM模块：用于采用空间矢量调制方法，根据给定的系统直流母线电压值对参考电压矢量的幅值进行限制；并根据获得的定子磁链电角度、电机转子的初始机械空间电角度、励磁电流空间磁链电角度和拉力电角度确定参考电压矢量旋转的角度，获得逆变器中六个开关管的驱动信号，并发送至逆变器中；

逆变器：用于将直流母线电压通过三路六个开关管逆变成三相交流电压，发送驱动信号，实现对电机转子的驱动，控制电机转子的转动；

定子磁链计算模块：用于对采集的电网三相电流进行计算，获得定子磁链电角度，并发送至SVPWM模块中；

坐标变换模块：包括克拉克变换及帕克变换，用于对采集的三相转子电流进行坐标变换，获得反馈转子电流；

第一角度转换模块：用于对励磁目标频率进行角度转换，获得励磁电流空间磁链电角度，并将获得的励磁电流空间磁链电角度发送至SVPWM模块；

第二角度转换模块：用于对实际转动频率进行角度变换，获得实际转子机械空间电角度，并将实际转子机械空间电角度反馈至SVPWM模块；

第一电流互感器：用于采集电网三相电流，并将采集的电网三相电流发送至定子磁链计算模块中；

第二电流互感器：用于采集三相转子电流，将三相转子电流发送至克拉克-帕克变换模块中。

2.根据权利要求1所述的交流励磁同步电机控制装置，其特征在于，所述的电机采用绕线式电机。

3.根据权利要求1所述的交流励磁同步电机控制装置，其特征在于，该装置功率容量为电机定子侧功率容量的20％以内，用于提供转子励磁所需能量。

4.采用权利要求1所述的交流励磁同步电机控制装置进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用第一电流互感器检测电网三相电流，并将采集到的电网三相电流通过定子磁链计算模块计算获得定子磁链电角度，并发送至SVPWM模块中；

计算获得定子磁链电角度的公式如下：

$i_s({2\mathrm{\πf}}_{N}t+\mathrm{\β})=\sqrt{\frac{2}{3}}[i_{\mathrm{As}}+i_{\mathrm{Bs}}{e}^{j2\mathrm{\π}/3}+i_{\mathrm{Cs}}{\left(e^{j2\mathrm{\π}/3}\right)}^2]---\left(1\right)$

其中，i_As表示绕线式电机定子侧A相电流的瞬时值；i_Bs表示绕线式电机定子侧B相电流的瞬时值；i_Cs表示绕线式电机定子侧C相电流的瞬时值；i_s表示合成电流的瞬时值；β表示定子磁链电角度；f_N表示电网工频；t表示系统运行时间；

步骤2、采用设置于电机定子上的电机位置传感器获得电机转子的初始机械空间电角度，并发送至SVPWM模块中；

步骤3、设定目标频率，根据实际需求确定电机为正转或反转，根据电网工频与目标频率之间的关系获得励磁目标频率，将励磁目标频率发送至转速环调节器中，并将励磁目标频率通过角度转换获得励磁电流空间磁链电角度，将获得的励磁电流空间磁链电角度发送至SVPWM模块中；

获得励磁目标频率公式如下：

电机正转：

f_in′＝f_N-f_in   (2)

其中，f_N表示电网工频；f_in′表示励磁目标频率；f_in表示目标频率；in表示输入，即input；N表示工频；

电机反转：

f_in′＝f_N+f_in   (3)

获得励磁电流空间磁链电角度公式如下：

${\mathrm{\α}}_d={\∫}_0^t{f_{\mathrm{in}}}^{\′}\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中，α_d表示励磁电流空间磁链电角度，α_d∈[0，2π)；

步骤4、采用PI控制算法对励磁目标频率进行计算，获得转子励磁频率；

步骤5、采用转子电流计算模块对转子励磁频率进行计算获得给定转子励磁电流，并发送至电流环调节器，具体如下：

步骤5-1、根据电机转子侧的额定电压和同步频率确定坐标系中一个点，根据低速补偿电压点和零频确定坐标系中第二个点，上述两点连线构建转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系；

步骤5-2、根据转子励磁频率和转子励磁电压之间的线性关系，确定获得的转子励磁频率所对应的转子励磁电压；

步骤5-3、根据电机反电势、电机转子电阻、电机转子电感、电机滑差与转子励磁电压之间的关系，获得给定转子励磁电流；

获得给定转子励磁电流公式如下：

${I_r}^{\′}=\frac{V_r-E_r}{r_2^{\′}{L}_2^{\′}s}---\left(5\right)$

其中，I_r′表示给定转子励磁电流；V_r表示转子励磁电压；E_r表示电机反电势；r′₂表示电机转子电阻；L′₂表示电机转子电感；s表示电机滑差；

步骤6、采用PI控制算法对给定转子励磁电流进行计算，获得参考电压矢量，并发送至SVPWM模块中；

步骤7、在SVPWM模块中采用空间矢量调制方法对参考电压矢量进行处理，获得逆变器中六个开关管的控制信号，具体如下：

步骤7-1、根据给定的系统直流母线电压值限制参考电压矢量的大小；

给定的系统直流母线电压与参考电压矢量的关系式如下：

$V_{\mathrm{ref}}\≤\frac{\sqrt{3}}{3}{V}_{\mathrm{dc}}---\left(6\right)$

其中，V_ref表示参考电压矢量，ref表示参考，即reference；V_dc表示给定的系统直流母线电压，dc表示直流；

步骤7-2、根据定子磁链电角度、电机转子的初始机械空间电角度、励磁电流空间磁链电角度和拉力电角度确定参考电压矢量旋转的角度；

定子磁链电角度、转子磁链电角度和拉力电角度之间的关系式如下；

α＝β+λ   (7)

转子磁链电角度、电机转子的机械空间电角度和励磁电流空间磁链电角度之间的关系式如下：

α＝α_r+α_d   (8)

其中，α表示转子磁链电角度，即参考电压矢量旋转的角度，β表示定子磁链电角度；λ表示拉力电角度，取值为±90°；α_r表示电机转子的机械空间电角度；α_d表示励磁电流空间磁链电角度；r表示转子，即rotor；d表示励磁；

步骤7-3、获得新的参考电压矢量及采样周期，确定新的参考电压矢量所处的六边形扇区，并将新的参考电压矢量分解为两个相邻非零矢量与一个零矢量，计算两个电压矢量和零矢量的作用时间，将三个矢量的作用时间作为逆变器中三个桥臂上三个开关管的驱动信号，将分解后的两个电压矢量和原点的零电压矢量进行取反，将取反后的电压矢量作为逆变器中三个桥臂上另外三个开关管的驱动信号；

步骤8、逆变器发送驱动电压信号至电机，产生三相转子电流控制电机转动；

步骤9、采用码盘检测电机转子的实际转动频率，并将实际转动频率进行角度变换，获得实际转子机械空间电角度，并反馈至SVPWM模块，实现对励磁电流空间磁链电角度调节，即对目标频率的调节；

步骤10、将码盘检测到的实际转子转动频率与同步频率比较做差，获得励磁反馈频率，并计算出新的反电势反馈至转子电流计算模块；

新的反电势E_r的计算公式如下：

E_r＝4.44f_sN_yk_yφ_m   (9)

其中，N_y表示绕组的匝数；k_y表示电动势系数；φ_m表示磁通最大值；

步骤11、将励磁反馈频率与励磁目标频率进行比较做差，并将偏差值发送至转速环调节器获得新的转子励磁频率，并返回执行步骤5；

步骤12、采用第二电流互感器采集三相转子电流，将三相转子电流进行克拉克变换和帕克变换，获得反馈转子电流，并将反馈转子电流与给定转子励磁电流进行比较做差，将偏差值发送至电流环调节器获得新的参考电压矢量，并返回执行步骤7；

步骤13：当电机转子的转动频率与目标频率相等时，结束。

5.根据权利要求3所述的控制的方法，其特征在于，步骤7-2所述的拉力角取值为±90°，当λ＝90°时，为电动状态，当λ＝-90°时，为回馈状态。