CN104104113A - Lci驱动高压同步电机并网控制方法 - Google Patents

Lci驱动高压同步电机并网控制方法 Download PDF

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金光哲
高强
荣万里
付天雷
徐殿国
何崇飞
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哈尔滨同为电气股份有限公司
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Abstract

LCI驱动高压同步电机并网控制方法,属于电机并网控制技术领域。本发明是为了解决同步电机在进行并网操作时,相位捕捉精度低,易对电机轴系造成损伤的问题。它作为一种自控变频式软起动方法,其锁相方法采用过零检测鉴相式全数字锁相环实现,它通过电网电压及电机端电压过零点对比进行相位检测,将电网三相电压的过零点及电机端电压的过零点进行比较,得到电网电压与电机端电压的相位差,并进入到相位控制器;最后将锁相环路的输出与频率控制器的输出结合,作为整流桥整流角α的调整信号,达到相位与频率的协调控制。本发明用于同步电机并网控制。

Description

LCI驱动高压同步电机并网控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及LCI驱动高压同步电机并网控制方法,属于电机并网控制技术领域。

背景技术

[0002] 基于LCI (Load Commutated Inverter,负载换相逆变器)驱动的高压软起动装置 在将电机转速拉升至95%后进入并网调节状态,要想成功完成软起动器并网需要满足三个 条件:

[0003] 1)电机电压幅值条件

[0004] 同步电机并网应满足电机端电压幅值与电网电压幅值一致。当电机端电压与电网 线电压幅值不一致时,并网会引起较大的冲击电流。由于电机起动过程往往需要提供较大 转矩,因此励磁较大,当达到额定转速时,会使电机端电压大于电网电压,因此需要调节励 磁,使电机端电压满足并网条件。

[0005] 2)电机的转速条件

[0006] 并网时,电机频率应与电网频率一致。较大的转速误差会引起并网冲击甚至失步, 通常,两者间误差要求在0. 25Hz以内。

[0007] 3)电机的相位条件

[0008] 锁相环主要调节同步电机端电压的相位,使得端电压相位与电网相位相同。当存 在相位差时并网,会在电网与软起动器回路中产生很大的瞬时冲击电流,对电机轴系造成 损伤,此时带来的机械扭矩最高可达到额定时的7-10倍,严重时会扭断电机主轴。因此在 三个条件中,电机的相位条件要求最为严格。

[0009] 当电机端电压满足上述三个条件,即电机端电压的幅值、相位和频率同时满足上 述要求时就可以进行并网操作。此时将并网接触器合闸,切除软起动器,即将同步电机接入 电网,完成整个起动并网过程。因此在电机从零速起步到接近电网频率前,只进行速度调 节,当进入到接近电网频率后,开始进行电压幅值调节和相位调节。三个条件中,对相位的 要求最高,也是整个并网过程的难点,相位的正确捕捉直接决定整个并网操作是否成功。现 有同步电机在进行并网操作时,对相位的捕捉精度很难满足上述并网要求。

发明内容

[0010] 本发明目的是为了解决同步电机在进行并网操作时,相位捕捉精度低,易对电机 轴系造成损伤的问题,提供了一种LCI驱动高压同步电机并网控制方法。

[0011] 本发明所述LCI驱动高压同步电机并网控制方法,其并网控制方法为:

[0012] 首先:采集电网三相电压1^、%。、11。£1,并对电网三相电压11£113、%。、11。 £1采用一阶低通 滤波器滤波后获得滤波后的电网三相电压uab'、ub。'、u ea',再将滤波后的电网三相电压 ua/、ubc/、ιι。,输入到电网电压过零捕获电路获得电网电压的过零点;

[0013] 同时采集同步电机端三相电压Muab、Mub。、Mu ea,将同步电机端三相电压Muab、Mubc、 Mum输入到电机端电压过零捕获电路获得电机端电压的过零点;

[0014] 其次:对电网电压的过零点和电机端电压的过零点进行比较,得到电网电压与电 机端电压的当前相位差,该当前相位差通过相位控制器处理后输出对同步电机的相位控制 信号;

[0015] 对采集到的电网电压的两个相邻过零点进行计算,获得电网电压的频率;对采集 到的电机端电压的两个相邻过零点进行计算,获得电机端电压的频率;电网电压的频率与 电机端电压的频率进行比较,得到电网电压与电机端电压的当前频率差,该当前频率差通 过频率控制器处理后输出对同步电机的频率控制信号;

[0016] 将获得的对同步电机的相位控制信号和频率控制信号进行叠加,叠加结果作为整 流角α的调节信号,整流角α经调节后,输出给同步电机,以调整同步电机的相位;

[0017] 根据滤波后的电网三相电压uab'、ub。'、u ea',对电网电压进行幅值检测,同时对 电机端电压进行幅值检测,将分别获得电网电压的有效值和电机端电压的有效值,电网电 压的有效值和电机端电压的有效值比较后获得电网电压与电机端电压的当前幅值差,该当 前幅值差通过励磁电流控制单元处理后输出对同步电机的励磁电流控制信号;

[0018] 最后:当所述当前相位差、当前频率差及当前幅值差分别满足预设置的阈值时,将 并网接触器合闸,同步电机接入电网,实现同步电机并网控制。

[0019] 所述电网电压的过零点和电机端电压的过零点均为正向过零点。

[0020] 电网电压与电机端电压的当前相位差采用定时器计算获得。

[0021] 当前相位差Λ β的获得方法为:

[0022]

Figure CN104104113AD00041

[0023] 式中Τ为定时器的周期,

[0024] Ν为相邻电网电压的过零点和电机端电压的过零点之间的定时器时钟计数值; [0025] felk为定时器时钟频率。

[0026] 本发明的优点:本发明将锁相环的控制量代入系统双闭环调节,以改变整流桥的 整流角α,最终达到稳态时相位差稳定在±2°以内。当相位条件满足时,说明锁相成功, 频率条件自动得到满足。

[0027] 本发明方法可以使电机端电压快速捕捉电网相位,并通过相位环与速度环的复合 控制,使相位与速度同时满足并网要求。具有相位捕捉精度高,使同步电机高效并网的优 势。

附图说明

[0028] 图1是基于过零检测鉴相的锁相环实现原理框图;

[0029] 图2是本发明所述LCI驱动高压同步电机并网控制方法的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式 [0030] 一:下面结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式所述LCI驱动 高压同步电机并网控制方法,其并网控制方法为:

[0031] 首先:采集电网三相电压1^、%。、11。£1,并对电网三相电压11£113、%。、11。 £1采用一阶低通 滤波器滤波后获得滤波后的电网三相电压Uab'、ub。'、uea',再将滤波后的电网三相电压 Ua/、Ubc/、11。,输入到电网电压过零捕获电路获得电网电压的过零点;

[0032] 同时采集同步电机端三相电压Muab、Mub。、Mu ea,将同步电机端三相电压Muab、Mubc、 Mum输入到电机端电压过零捕获电路获得电机端电压的过零点;

[0033] 其次:对电网电压的过零点和电机端电压的过零点进行比较,得到电网电压与电 机端电压的当前相位差,该当前相位差通过相位控制器处理后输出对同步电机的相位控制 信号;

[0034] 对采集到的电网电压的两个相邻过零点进行计算,获得电网电压的频率;对采集 到的电机端电压的两个相邻过零点进行计算,获得电机端电压的频率;电网电压的频率与 电机端电压的频率进行比较,得到电网电压与电机端电压的当前频率差,该当前频率差通 过频率控制器处理后输出对同步电机的频率控制信号;

[0035] 将获得的对同步电机的相位控制信号和频率控制信号进行叠加,叠加结果作为整 流角α的调节信号,整流角α经调节后,输出给同步电机,以调整同步电机的相位;

[0036] 根据滤波后的电网三相电压uab'、ub。'、u ea',对电网电压进行幅值检测,同时对 电机端电压进行幅值检测,将分别获得电网电压的有效值和电机端电压的有效值,电网电 压的有效值和电机端电压的有效值比较后获得电网电压与电机端电压的当前幅值差,该当 前幅值差通过励磁电流控制单元处理后输出对同步电机的励磁电流控制信号;

[0037] 最后:当所述当前相位差、当前频率差及当前幅值差分别满足预设置的阈值时,将 并网接触器合闸,同步电机接入电网,实现同步电机并网控制。

[0038] 本实施方式中,电网三相电压uab、ube、uea通过一阶低通滤波器后,能够滤除起动初 期整流桥的谐波。

[0039] 本实施方式为一种自控变频式软起动方法,其锁相方法采用过零检测鉴相式全数 字锁相环实现,它通过电网电压及电机端电压过零点对比进行相位检测,将电网三相电压 的过零点及电机端电压的过零点进行比较,得到电网电压与电机端电压的相位差,并进入 到相位控制器。最后将锁相环路的输出与频率控制器的输出结合,作为整流桥整流角α的 调整信号,达到相位与频率的协调控制。

具体实施方式 [0040] 二:本实施方式对实施方式一作进一步说明,所述电网电压的过零 点和电机端电压的过零点均为正向过零点。

具体实施方式 [0041] 三:本实施方式对实施方式一或二作进一步说明,电网电压与电机 端电压的当前相位差采用定时器计算获得。

[0042]

具体实施方式四:本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明,当前相位差 Λ β的获得方法为:

[0043]

Figure CN104104113AD00051

[0044] 式中Τ为定时器的周期,

[0045] Ν为相邻电网电压的过零点和电机端电压的过零点之间的定时器时钟计数值;

[0046] felk为定时器时钟频率。

[0047] 由于软起过程中高速换相时需要通过电机三相端电压过零点检测来判断换相时 亥Ij,因此一直在检测电机三相端电压过零点,与此同时检测电网电压过零点。两个电压均检 测正向过零点,则这两个过零点之间的时间间隔由计时器的计时长度获得,因为定时器的 周期寄存器的数值是固定的,所以通过计算进入定时器周期寄存器的次数便可得到实际的 相位差。频率检测类似于相位检测,是通过同相的两个过零点之间的计数器个数来计算的。

[0048] 锁相环相位调节采用相位及电流双闭环结构,在锁相算法中,每个电网周期进行 一次相位及速度的采样。同步电机的端电压幅值与电机频率及励磁电流大小有关,如公式 所示:

[0049]

Figure CN104104113AD00061

[0050] 式中U为同步电机绕组忽略回路阻值时的电机端电压;

[0051] (;为电动势常数,

Figure CN104104113AD00062

[0052] p为电机极对数;

[0053] kM为电机每相绕组的等效匝数。

[0054] ω为电机转速,rad/s ;

[0055] Φ为定子磁通。

[0056] 由该公式可知,在转速微调的过程中,同步电机的转速正比于直流母线输出电压, 反比于定子的磁通。而直流母线电压用改变整流角α进行调节,磁通用改变励磁电流的方 式进行调节。相位通过调整整流角α,进行转速微调来调整相位。当锁相环工作稳定达到 稳态时,电机端电压相位收敛于电网线电压同相位,当满足相位条件时,频率也会满足并网 条件。

Claims (4)

1. 一种LCI驱动高压同步电机并网控制方法,其特征在于,其并网控制方法为: 首先:采集电网三相电压11£*、%。、11。£1,并对电网三相电压11£113、%。、11。 £1采用一阶低通滤波 器滤波后获得滤波后的电网三相电压Uab'、ub。'、uea',再将滤波后的电网三相电压u ab'、 ubc/、U。/输入到电网电压过零捕获电路获得电网电压的过零点; 同时采集同步电机端三相电压Muab、Mube、Muea,将同步电机端三相电压Mu ab、Mube、Muea输 入到电机端电压过零捕获电路获得电机端电压的过零点; 其次:对电网电压的过零点和电机端电压的过零点进行比较,得到电网电压与电机端 电压的当前相位差,该当前相位差通过相位控制器处理后输出对同步电机的相位控制信 号; 对采集到的电网电压的两个相邻过零点进行计算,获得电网电压的频率;对采集到的 电机端电压的两个相邻过零点进行计算,获得电机端电压的频率;电网电压的频率与电机 端电压的频率进行比较,得到电网电压与电机端电压的当前频率差,该当前频率差通过频 率控制器处理后输出对同步电机的频率控制信号; 将获得的对同步电机的相位控制信号和频率控制信号进行叠加,叠加结果作为整流角 α的调节信号,整流角α经调节后,输出给同步电机,以调整同步电机的相位; 根据滤波后的电网三相电压uab'、ub。'、ιιΜ',对电网电压进行幅值检测,同时对电机 端电压进行幅值检测,将分别获得电网电压的有效值和电机端电压的有效值,电网电压的 有效值和电机端电压的有效值比较后获得电网电压与电机端电压的当前幅值差,该当前幅 值差通过励磁电流控制单元处理后输出对同步电机的励磁电流控制信号; 最后:当所述当前相位差、当前频率差及当前幅值差分别满足预设置的阈值时,将并网 接触器合闸,同步电机接入电网,实现同步电机并网控制。
2. 根据权利要求1所述的LCI驱动高压同步电机并网控制方法,其特征在于,所述电网 电压的过零点和电机端电压的过零点均为正向过零点。
3. 根据权利要求1或2所述的LCI驱动高压同步电机并网控制方法,其特征在于,电网 电压与电机端电压的当前相位差采用定时器计算获得。
4. 根据权利要求3所述的LCI驱动高压同步电机并网控制方法,其特征在于,当前相位 差Λ β的获得方法为:
Figure CN104104113AC00021
式中Τ为定时器的周期, Ν为相邻电网电压的过零点和电机端电压的过零点之间的定时器时钟计数值; f;lk为定时器时钟频率。
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