CN104158228B - 无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法 - Google Patents
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Abstract
无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，属于电动机并网技术领域。本发明是为了解决无阻尼绕组永磁同步电动机只能用于变频调速场合，而不具有电网工频运行能力的问题。所述方法中无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器的控制下实现软启动，然后调节变频器，首先使其输出端电压基波频率与电网频率一致；其次使其输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差在预设阈值范围之内；最后使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致；然后，通过变频器控制使第二接触器闭合时刻晚于第一接触器断开时刻，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态。本发明用于无阻尼绕组永磁同步电动机的并网。
Description
技术领域
本发明涉及无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，属于电动机并网技术领域。
背景技术
目前以电动机作为驱动的电驱动系统运行方式主要有两种，即以变频控制方式为主的调速系统和以电网工频运行为主的不调速系统。其中后者以其系统成本低、可靠性高、控制简单、满载效率高等优势仍被广泛采用。
常规用于工频运行的电动机主要有异步电动机、电励磁同步电动机和转子有阻尼绕组的永磁同步电动机等。而转子无阻尼绕组的永磁同步电动机，因其无法产生异步转矩不能自行牵入同步，所以极少用于电网工频运行，而是多用于高性能的变频调速场合。随着世界范围内对IE4级——相当于GB18613-2012的一级能效的超超高效电动机的需求日益强烈，永磁同步电动机的应用已是大势所趋。而扩展无阻尼绕组永磁同步电动机的应用领域，使其同时实现高性能变频以及电网工频运行的“一机两用”，对提高电驱动系统效率、节约系统成本、提高可靠性等均具有重要意义。
目前，转子无阻尼绕组永磁同步电动机的并网问题还缺少系统级的解决方案。
发明内容
本发明目的是为了解决无阻尼绕组永磁同步电动机只能用于变频调速场合，而不具有电网工频运行能力的问题，提供了一种无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法。
本发明所述无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法采用下述两种方案实现：
第一种方案为：所述并网方法基于变频器、电压采集板卡、第一接触器和第二接触器实现，
电压采集板卡用于采集电网电压的频率、幅值和相位，并提供给变频器，电网三相进线R、S、T分两路与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第一路依次经变频器和第一接触器与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第二路经第二接触器与无阻尼绕组永磁同步电动机连接；
所述并网方法为：
无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器的控制下实现软启动，然后调节变频器，首先使其输出端电压基波频率与电网频率一致；其次使其输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差在预设阈值范围之内；最后使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致；
然后，通过变频器控制使第二接触器闭合时刻晚于第一接触器断开时刻，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态。
无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器运行状态的方法为：
首先通过变频器控制使第二接触器断开时刻早于第一接触器闭合时刻，然后对无阻尼绕组永磁同步电动机进行转子位置在线追踪，将转子位置信息提供给变频器，使变频器开始运行，由此实现无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器运行状态。
第二种方案为：所述并网方法基于变频器、电压采集板卡、第一接触器、第二接触器和电抗器实现，
电压采集板卡用于采集电网电压的频率、幅值和相位，并提供给变频器，电网三相进线R、S、T分两路与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第一路依次经变频器、电抗器和第一接触器与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第二路经第二接触器与无阻尼绕组永磁同步电动机连接；
所述并网方法为：
无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器的控制下实现软启动，然后调节变频器，首先使其输出端电压基波频率与电网频率一致；其次使其输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差在预设阈值范围之内；最后使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致；
然后，通过变频器控制使第二接触器闭合时刻早于第一接触器断开时刻，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态。
无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器运行状态的方法为：
首先通过变频器控制使第二接触器断开时刻晚于第一接触器闭合时刻，然后对无阻尼绕组永磁同步电动机进行转子位置在线追踪，将转子位置信息提供给变频器，使变频器开始运行，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器运行状态。
上述两种方案中：
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器采用矢量控制方式，通过速度环的调节使变频器输出端电压基波频率与电网频率一致。
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器采用矢量控制方式，通过比较变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值，调节直轴电流，使二者之差在预设阈值范围之内。
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器采用矢量控制方式，采用锁相环得到变频器输出端电压基波相位和电网电压相位，再根据二者相位差调节速度环指令，使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致。
变频器采用有位置传感器或无位置传感器控制，当采用有位置传感器控制时，无阻尼绕组永磁同步电动机上安装有转子位置传感器。
本发明的优点：本发明实现了无阻尼绕组的永磁同步电动机投切电网运行，它采用变频调速实现电动机的软启动，并分别通过调节速度环指令、调节直轴电流、采用双锁相环结合相位差调节器等措施，使变频器输出端电压基波满足并网所需的频率、幅值和相位条件。当需要采用变频运行时，还可通过转子位置在线追踪，将无阻尼绕组永磁同步电动机切回变频器运行。
本发明并网投切一次成功率高，不仅节约了变频器容量，提高了电驱动系统运行效率，降低了系统成本，而且扩展了无阻尼绕组永磁同步电动机的应用领域，实现无阻尼绕组永磁同步电动机的一机两用，提高了系统的效率和可靠性。
附图说明
图1是本发明所述无阻尼绕组永磁同步电动机的转子结构示意图；所述转子由转子铁心6和永磁体7构成，转子表面无阻尼绕组，因而不具备自启动能力；
图2是本发明所述无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法的运行系统组成示意图；
图3是变频器的内部模块原理框图；
图4是无阻尼绕组永磁同步电动机并网过程流程图；
图5是无阻尼绕组永磁同步电动机并网过程中变频器输出端电压基波相位与电网电压相位比较流程图；
图6是无阻尼绕组永磁同步电动机并网过程中变频器输出端电压基波相位调节流程图；
图7是无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行切回变频器运行过程流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，该并网方法基于变频器1、电压采集板卡2、第一接触器3和第二接触器4实现，
电压采集板卡2用于采集电网电压的频率、幅值和相位，并提供给变频器1，电网三相进线R、S、T分两路与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第一路依次经变频器1和第一接触器3与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第二路经第二接触器4与无阻尼绕组永磁同步电动机连接；
所述并网方法为：
无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器的控制下实现软启动，然后调节变频器1，首先使其输出端电压基波频率与电网频率一致；其次使其输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差在预设阈值范围之内；最后使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致；
然后，通过变频器1控制使第二接触器4闭合时刻晚于第一接触器3断开时刻，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态。
本实施方式中电压采集板卡2采集的模拟信号，经变频器中模拟-数字转换器ADC转换为数字信号后提供给变频器，作为其调节输出端电压的参考。电压采集板卡2连接在第二路近电网侧与变频器1的模拟-数字转换器之间。
图3所示，变频器内部的控制系统由速度环和电流环组成，采用矢量控制方式。其中转子位置检测可以采用有位置传感器或无位置传感器方式得到。转子机械角位置θr经微分后得到转速反馈信号ωmf，与转速指令ωm比较后经速度环调节器输出交轴电流给定iq。直轴电流给定id根据实际需要给出。二者与从线电流采样，结合转子位置检测得到的电角度信息θe，经Park变换得到的反馈信号iqf、idf分别比较后，经电流环调节器输出交、直轴电压给定uq、ud。再经反Park变换以及空间矢量脉宽调制SVPWM后，产生PWM信号供给逆变电路，进而驱动无阻尼绕组永磁同步电动机。
具体实施方式二：下面结合图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器1运行状态的方法为：
首先通过变频器1控制使第二接触器4断开时刻早于第一接触器3闭合时刻，然后对无阻尼绕组永磁同步电动机进行转子位置在线追踪，将转子位置信息提供给变频器1，使变频器1开始运行，由此实现无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器1运行状态。
本实施方式的运行过程，接触器用于实现无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器运行与电网运行之间的切换。当从变频器运行切换至电网运行时，若变频器与接触器之间不安装电抗器，则电网侧接触器闭合时刻应晚于变频器侧接触器断开时刻；若变频器与接触器之间安装电抗器，则电网侧接触器闭合时刻可早于变频器侧接触器断开时刻。当从电网运行切换至变频器运行时，接触器动作顺序与上述顺序相反。
在软启动至并网的调速过程中，变频器控制系统采用矢量控制方式。通过速度环的调节使变频器输出端电压基波频率与电网频率一致。通过比较变频器输出端电压基波幅值和电网电压幅值，调节直轴电流，使二者之差在预设阈值范围内，满足并网所需的幅值条件。对变频器输出端电压基波和电网电压分别采用锁相环得到二者相位，并根据相位差调节速度环指令，使二者相位满足并网所需的相位条件。当并网条件均满足后，按前述顺序控制接触器动作，使无阻尼绕组永磁同步电动机从变频器运行切换至电网运行。
当需要使无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行切回变频器运行时，首先按前述顺序控制接触器动作，之后通过在线追踪获得无阻尼绕组永磁同步电动机的转子位置，最后使变频控制系统工作，恢复变频器运行。
具体实施方式三：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，该并网方法基于变频器1、电压采集板卡2、第一接触器3、第二接触器4和电抗器5实现，
电压采集板卡2用于采集电网电压的频率、幅值和相位，并提供给变频器1，电网三相进线R、S、T分两路与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第一路依次经变频器1、电抗器5和第一接触器3与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第二路经第二接触器4与无阻尼绕组永磁同步电动机连接；
所述并网方法为：
无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器的控制下实现软启动，然后调节变频器1，首先使其输出端电压基波频率与电网频率一致；其次使其输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差在预设阈值范围之内；最后使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致；
然后，通过变频器1控制使第二接触器4闭合时刻早于第一接触器3断开时刻，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态。
结合图4，无阻尼绕组永磁同步电动机并网过程具体实施步骤如下：
步骤一：给出并网使能指令后，实施步骤101，通过调节控制系统速度环指令，实现变频器输出端电压基波频率与电网电压频率一致；
步骤二：实施步骤102，比较变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值；
步骤三：实施步骤103，判断变频器输出端电压基波幅值是否满足并网条件；
步骤四：若变频器输出端电压基波幅值不满足并网条件，实施步骤104，通过调节直轴电流id调节变频器输出端电压基波幅值。其具体步骤为：若变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差小于允许阈值，则减小直轴电流id，使之起到增磁作用；若变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差大于允许阈值，则增大直轴电流id，使之起到去磁作用；
步骤五：若变频器输出端电压基波幅值满足并网条件，实施步骤105，比较变频器输出端电压基波相位与电网电压相位，其具体步骤如图5所示；
步骤六：实施步骤106，判断变频器输出端电压基波相位是否满足并网条件；
步骤七：若变频器输出端电压基波相位不满足并网条件，实施步骤107，调节变频器输出端电压基波相位，其具体步骤如图6所示；
步骤八：若变频器输出端电压基波相位满足并网条件，实施步骤108，控制接触器动作；接触器动作完毕后完成并网。
图5的具体实施步骤如下：
步骤二一：实施步骤201，对由电压采集板卡采集到的电网电压做Clark变换；
步骤二二：实施步骤202，利用锁相环得到电网电压相位；
步骤二三：实施步骤203，对变频器输出端电压基波做Clark变换；
步骤二四：实施步骤204，利用锁相环得到变频器输出端电压基波相位；
步骤二五：实施步骤205，将由锁相环得到的变频器输出端电压基波相位与电网电压相位做差，完成比较过程。
图6的具体实施步骤如下：
步骤三一：实施步骤301，对得到的变频器输出端电压基波相位与电网电压相位之差做必要的三角函数处理；
步骤三二：实施步骤302，对处理后的相位差经相位差调节器产生转速调节指令；
步骤三三：实施步骤303，产生速度环转速指令，通过微调无阻尼绕组永磁同步电动机转速，调节变频器输出端电压基波相位。
图7的具体实施步骤如下：
步骤四一：实施步骤401，控制接触器动作，动作顺序与所述步骤八中动作顺序相反；
步骤四二：实施步骤402，通过在线追踪获得无阻尼绕组永磁同步电动机转子位置；
步骤四三：实施步骤403，变频器内部控制系统工作，完成反切换。
具体实施方式四：下面结合图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器1运行状态的方法为：
首先通过变频器1控制使第二接触器4断开时刻晚于第一接触器3闭合时刻，然后对无阻尼绕组永磁同步电动机进行转子位置在线追踪，将转子位置信息提供给变频器1，使变频器1开始运行，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器1运行状态。
具体实施方式二和具体实施方式四中，无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行切回变频器运行的过程中，两个接触器的动作顺序与无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态时所述顺序相反。
本实施方式的运行过程与具体实施方式二中详述的运行过程在原理上一致。
具体实施方式五：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器1采用矢量控制方式，通过速度环的调节使变频器1输出端电压基波频率与电网频率一致。
本实施方式中，速度环的调节根据速度环指令ωm实现。
具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器1采用矢量控制方式，通过比较变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值，调节直轴电流，使二者之差在预设阈值范围之内。
本实施方式中，通过调节直轴电流id实现变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值的调节。
具体实施方式七：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三、四、五或六作进一步说明，无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器1采用矢量控制方式，采用锁相环得到变频器输出端电压基波相位和电网电压相位，再根据二者相位差调节速度环指令，使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致。
具体实施方式八：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三、四、五、六或七作进一步说明，变频器1采用有位置传感器或无位置传感器控制，当采用有位置传感器控制时，无阻尼绕组永磁同步电动机上安装有转子位置传感器。
本发明所述并网方法中，在变频器1与第一接触器3之间可根据实际需要选择安装电抗器5。
Claims (6)
1.一种无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，该并网方法基于变频器(1)、电压采集板卡(2)、第一接触器(3)和第二接触器(4)实现，
电压采集板卡(2)用于采集电网电压的频率、幅值和相位，并提供给变频器(1)，电网三相进线R、S、T分两路与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第一路依次经变频器(1)和第一接触器(3)与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第二路经第二接触器(4)与无阻尼绕组永磁同步电动机连接；
其特征在于，所述并网方法为：
无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器的控制下实现软启动，然后调节变频器(1)，首先使其输出端电压基波频率与电网频率一致；其次使其输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差在预设阈值范围之内；最后使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致；
然后，通过变频器(1)控制使第二接触器(4)闭合时刻晚于第一接触器(3)断开时刻，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态；
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器(1)采用矢量控制方式，通过速度环的调节使变频器(1)输出端电压基波频率与电网频率一致；
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器(1)采用矢量控制方式，通过比较变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值，调节直轴电流，使二者之差在预设阈值范围之内；
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器(1)采用矢量控制方式，采用锁相环得到变频器输出端电压基波相位和电网电压相位，再根据二者相位差调节速度环指令，使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致。
2.根据权利要求1所述的无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，其特征在于，无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器(1)运行状态的方法为：
首先通过变频器(1)控制使第二接触器(4)断开时刻早于第一接触器(3)闭合时刻，然后对无阻尼绕组永磁同步电动机进行转子位置在线追踪，将转子位置信息提供给变频器(1)，使变频器(1)开始运行，由此实现无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器(1)运行状态。
3.根据权利要求1或2所述的无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，其特征在于，变频器(1)采用有位置传感器或无位置传感器控制，当采用有位置传感器控制时，无阻尼绕组永磁同步电动机上安装有转子位置传感器。
4.一种无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，该并网方法基于变频器(1)、电压采集板卡(2)、第一接触器(3)、第二接触器(4)和电抗器(5)实现，
电压采集板卡(2)用于采集电网电压的频率、幅值和相位，并提供给变频器(1)，电网三相进线R、S、T分两路与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第一路依次经变频器(1)、电抗器(5)和第一接触器(3)与无阻尼绕组永磁同步电动机连接，第二路经第二接触器(4)与无阻尼绕组永磁同步电动机连接；
其特征在于，所述并网方法为：
无阻尼绕组永磁同步电动机在变频器的控制下实现软启动，然后调节变频器(1)，首先使其输出端电压基波频率与电网频率一致；其次使其输出端电压基波幅值与电网电压幅值之差在预设阈值范围之内；最后使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致；
然后，通过变频器(1)控制使第二接触器(4)闭合时刻早于第一接触器(3)断开时刻，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态；
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器(1)采用矢量控制方式，通过速度环的调节使变频器(1)输出端电压基波频率与电网频率一致；
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器(1)采用矢量控制方式，通过比较变频器输出端电压基波幅值与电网电压幅值，调节直轴电流，使二者之差在预设阈值范围之内；
无阻尼绕组永磁同步电动机从软启动运行状态切换至电网运行状态的调整过程中，变频器(1)采用矢量控制方式，采用锁相环得到变频器输出端电压基波相位和电网电压相位，再根据二者相位差调节速度环指令，使其输出端电压基波相位与电网电压相位一致。
5.根据权利要求4所述的无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，其特征在于，无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器(1)运行状态的方法为：
首先通过变频器(1)控制使第二接触器(4)断开时刻晚于第一接触器(3)闭合时刻，然后对无阻尼绕组永磁同步电动机进行转子位置在线追踪，将转子位置信息提供给变频器(1)，使变频器(1)开始运行，实现无阻尼绕组永磁同步电动机从电网运行状态切换至变频器(1)运行状态。
6.根据权利要求4或5所述的无阻尼绕组永磁同步电动机并网方法，其特征在于，变频器(1)采用有位置传感器或无位置传感器控制，当采用有位置传感器控制时，无阻尼绕组永磁同步电动机上安装有转子位置传感器。
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