CN104883107A - 一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，通过对电机起动条件的判断，采取相对应的控制策略，实现三级电励磁式同步电机起动转速在0～1500rpm范围内的动态起动功能。本发明所述的三级电励磁同步电机动态起动控制方法具有以下优点：1)实现了电机的带转速起动功能，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导出给航空发动机带来的危害；2)对主发电机定子电流进行限幅PI调节，可有效减少因主发电流过大而烧坏器件情况的发生，提高了系统的安全性。

Description

一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，涉及一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法。

背景技术

在航空大功率交流电源系统中，三级电励磁式同步电机(原理框图见图1)作为发电机已得到广泛应用。在起动/发电一体化系统中，使用该电机依次运行在电动和发电状态，能减少一套专用的起动机构，可有效降低航空电源系统的复杂程度、减轻重量、提高可靠性。

目前，国内已开展的针对三级电励磁式同步电机起动控制方法的相关研究工作，大多基于传统的矢量控制方法和直接转矩控制方法，且仿真研究居多，部分实验采用普通的电励磁同步电机进行验证。目前有一种航空三级电励磁式同步电机起动控制方法如下：通过直接控制电压矢量的模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方式确定控制器输出电压矢量，再以空间矢量调制(Space Vector Modulation,SVM)的方式发出三相全桥逆变器的开关信号，控制逆变器驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机起动功能；经采用一台三级电励磁式同步电机和MAGTROL公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机的起动实验，实验结果表明该控制方法能使该电机完成航空发动机的起动。

飞机在地面起动过程中，由于某种原因导致发动机点火失败的情况是不可避免的。发动机点火失败后，发动机油管中会存留大量的高温航空煤油，若不及时将油管中的热油甩出，很可能会因煤油自燃损坏发动机，更严重者会发生爆炸，造成重大事故。由于惯性和摩擦阻力的综合作用，发动机转速不会突降为零，与其同轴相连的三级电励磁式同步电机转速也同样变化，出于对发动机安全性的考虑，在转速降为零之前就需要将电机再次起动。这种电机带转速情况下的起动称为电机动态起动。在后期模拟航空发动机动态起动实验发现，现有控制方法尚有不足之处，无法完成航空发动机的动态起动。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法。

技术方案

一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，其特征在于步骤如下：

根据当前电机转速确定为静止起动状态时：

步骤a1：依据电机转速参考值Ω^*和电机转速反馈值Ω进行速度环限幅PI调节，得到当前调制电压矢量值u_s*；

步骤a2：计算ABC三相坐标系下定子电流矢量i_s＝i_A+ai_B+a²i_C，其中：i_A、i_B、i_C为主发电机定子三相电流，为复数运算符号，其作用是使一个向量正转120°；

步骤a3：将ABC三相坐标系变换未两相静止坐标系αβ0，得在αβ0坐标系下沿α轴的分量以及沿β轴的分量定子三相电流在dq0坐标系下沿d、q轴的分量为i_d、i_q；

将两相静止坐标系αβ0变换到两相旋转坐标系dq0，得 式中为α轴与d轴的夹角；

步骤a4：计算定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴的夹角θ_is＝tan^-1(i_q/i_d)；依据参考值θ_is ^*和定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴的夹角θ_is进行限幅PI调节，该PI输出值为当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*；

根据当前电机转速确定为动态起动状态时：

步骤b1：根据当前电机转速的大小计算速度调节器积分初值，依据电机转速参考值Ω^*和电机转速反馈值Ω进行速度限幅PI调节；

步骤b2：根据主发电机定子电流矢量参考值i_s ^*和由式i_s＝i_A+ai_B+a²i_C求模运算得到的当前电流矢量值i_s，通过电流调节器进行电流限幅PI调节；

步骤b3：依据速度限幅PI调节输出值和电流限幅PI调节输出值，经求和运算得到当前调制电压矢量值u_s*；

步骤b4：起动初始的3s内，给当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*赋初值90°，不进行PI调节；3s后，依据定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴夹角参考值θ_is ^*和由当前i_d与i_q求出的θ_is进行限幅PI调节，其PI输出值即为当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*；

步骤b5：根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量u_s*进行矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号。

有益效果

本发明提出的一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，通过对电机起动条件的判断，采取相对应的控制策略，实现三级电励磁式同步电机起动转速在0～1500rpm范围内的动态起动功能。

本发明所述的三级电励磁同步电机动态起动控制方法具有以下优点：1)实现了电机的带转速起动功能，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导出给航空发动机带来的危害；2)对主发电机定子电流进行限幅PI调节，可有效减少因主发电流过大而烧坏器件情况的发生，提高了系统的安全性。

附图说明

图1：三级电励磁式同步电机系统结构图

图2：静止起动系统控制原理图

图3：动态起动系统控制原理图(不对角θ_is进行PI调节)

图4：动态起动系统控制原理图(对角θ_is进行PI调节)

图5：坐标系变换关系图

图6：空间电压矢量u_s*合成图

图7：起动转速为1000(r/min)的动态起动速度转矩图

图8：连续动态起动多次的速度转矩图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本系统采用旋转变压器来检测电机转速，构成三级电励磁式同步电机起动控制系统。为验证本发明方法，采用MAGTROL公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机负载，利用一台三级电励磁式同步电机搭建了验证平台。

本发明解决的技术问题含有以下步骤：

(1)获取当前电机转速，判断是静止起动还是动态起动。

a)静止起动：

①依据电机转速参考值Ω^*和电机转速反馈值Ω进行速度环限幅PI调节，得到当前调制电压矢量值u_s*；

②采集主发电机定子三相电流i_A、i_B、i_C，在三相坐标系(ABC)下定子电流矢量i_s可表示为i_s＝i_A+ai_B+a²i_C，式中，为复数运算符号，其作用是使一个向量正转120°；

③通过三相坐标系(ABC)到两相静止坐标系(αβ0)的变换，可得在αβ0坐标系下沿α轴的分量以及沿β轴的分量定子三相电流在dq0坐标系下沿d、q轴的分量为i_d、i_q，通过两相静止坐标系(αβ0)到两相旋转坐标系(dq0)的变换，可得式中为α轴与d轴的夹角；

④由i_d、i_q可得定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴的夹角θ_is，即θ_is＝tan^-1(i_q/i_d)；依据参考值θ_is ^*和定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴的夹角θ_is进行限幅PI调节，该PI输出值即为当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*。

b)动态起动：

①根据当前电机转速的大小计算速度调节器积分初值，依据电机转速参考值Ω^*和电机转速反馈值Ω进行速度限幅PI调节；

②根据主发电机定子电流矢量参考值i_s ^*和由式i_s＝i_A+ai_B+a²i_C求模运算得到的当前电流矢量值i_s，通过电流调节器进行电流限幅PI调节；

③依据以上两步计算出的速度限幅PI调节输出值和电流限幅PI调节输出值，经求和运算得到当前调制电压矢量值u_s*；

④起动初始的3s内，给当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*赋一固定初值90°，不进行PI调节；3s后，依据定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴夹角参考值θ_is ^*和由当前i_d与i_q求出的θ_is进行限幅PI调节，其PI输出值即为当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*。

(2)根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量u_s*进行矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号。

实施例包含的具体参数步骤如下：

(1)给系统施加额定工作电压。

(2)设定目标转速为2500(r/min)，动态起动转速最大值为1500(r/min)。目标转速为2500(r/min)确保电机停止起动到再次起动的时间间隔能使继电器完成一个周期的完全断开与吸合，1500(r/min)是在保证系统硬件安全的前提下本控制方法允许的最大起动转速。

(3)设定速度PI调节器的调节参数分别为K_p＝4，K_i＝3，限幅(调制度)范围为(0,1)；设定定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴的夹角θ_is调节器的调节参数分别为K_p＝3，K_i＝4，限幅范围为(0,π)；设定定子电流矢量i_s调节器的调节参数分别为K_p＝200，K_i＝150，限幅(调制度)范围为(-1,0)。

(4)给出电机起动信号，电压矢量u_s*通过逆变器施加到电机上，电机起动运行；此次起动为静止起动，系统运行原理如图2所示。

(5)在电机转速达到2500(r/min)时，给出电机停止起动信号，电机停止起动，在本身惯性和摩擦阻力的综合作用下减速运行；

(6)监测电机转速，在电机转速降为零之前，再次给出电机起动信号，电机起动运行，此次起动为动态起动，系统运行原理图依次如图3、图4所示。

(7)起动转速为1000(r/min)的电机动态起动速度转矩图如图7所示；重复步骤(4)、(5)，在步骤(6)中，连续多次对电机进行动态起动，对应电机动态起动速度转矩图如图8所示。

Claims (1)

1.一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，其特征在于步骤如下：

根据当前电机转速确定为静止起动状态时：

步骤a1：依据电机转速参考值Ω^*和电机转速反馈值Ω进行速度环限幅PI调节，得到当前调制电压矢量值u_s*；

步骤a2：计算ABC三相坐标系下定子电流矢量i_s＝i_A+ai_B+a²i_C，其中：i_A、i_B、i_C为主发电机定子三相电流，为复数运算符号，其作用是使一个向量正转120°；

步骤a3：将ABC三相坐标系变换未两相静止坐标系αβ0，得在αβ0坐标系下沿α轴的分量以及沿β轴的分量定子三相电流在dq0坐标系下沿d、q轴的分量为i_d、i_q；

将两相静止坐标系αβ0变换到两相旋转坐标系dq0，得 式中为α轴与d轴的夹角；

步骤a4：计算定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴的夹角θ_is＝tan^-1(i_q/i_d)；依据参考值θ_is ^*和定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴的夹角θ_is进行限幅PI调节，该PI输出值为当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*；

根据当前电机转速确定为动态起动状态时：

步骤b1：根据当前电机转速的大小计算速度调节器积分初值，依据电机转速参考值Ω^*和电机转速反馈值Ω进行速度限幅PI调节；

步骤b2：根据主发电机定子电流矢量参考值i_s ^*和由式i_s＝i_A+ai_B+a²i_C求模运算得到的当前电流矢量值i_s，通过电流调节器进行电流限幅PI调节；

步骤b3：依据速度限幅PI调节输出值和电流限幅PI调节输出值，经求和运算得到当前调制电压矢量值u_s*；

步骤b4：起动初始的3s内，给当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*赋初值90°，不进行PI调节；3s后，依据定子电流矢量i_s与主发电机转子d轴夹角参考值θ_is ^*和由当前i_d与i_q求出的θ_is进行限幅PI调节，其PI输出值即为当前调制电压矢量u_s*与主发电机转子d轴的夹角θ_us*；

步骤b5：根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量u_s*进行矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号。