CN105262403B - 一种旋转电机直接启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转电机直接启动控制方法。它首先根据电机反电动势的大小分别采用不同方法获取电机当前实际转速；然后将电机当前实际转速和磁链幅值作为初始值赋给无速度传感器矢量控制器，通过矢量控制算法将电机转速稳定于当前转速；转速稳定后根据设定的斜率分别提升电机磁链至电机磁链额定值、提升电机转速至电机额定转速。本发明根据电机反电动势大小的不同，分别采用不同的算法快速获取电机转速电机转速精确获取以后，平稳地切换到无速度传感器矢量控制，保证了电机转速提升阶段的快速性和稳定性，应用到大功率高压变频调速系统中后，能保证变频器在电机处于旋转状态下直接启动电机，避免发生故障或保护停机。

Description

一种旋转电机直接启动控制方法

技术领域

本发明属于电能变换技术领域，具体涉及一种旋转电机直接启动控制方法。

背景技术

在采用高压变频器的调速系统的实际应用中有许多场合要用到“旋转电机直接启动”功能，即直接启动正在旋转的电机，比如：风机类负载，由于其转子及所带设备的转动惯量很大，因此其从旋转状态到静止状态的自由停车时间需要几十分钟到几个小时，这在很多场合如石油化工过程、发电厂锅炉等生产工艺要求严格的工作环境，将会使整个系统停产或机组解列，使得用户遭受不可估量的经济损失；另外，在一拖多的应用中，变频器也必须能够直接拖动正在高速旋转的电机负载。因此，对于大功率的高压变频器产品，假如具备“旋转电机直接启动”功能，则会具有更为广阔的应用前景。

“旋转电机直接启动”控制通常的基本原理是：首先电机定子处于“无源”状态，而转子处于自由旋转状态，且转速逐渐下降；通过控制算法，让变频器输出一定幅值和频率的电压，利用电压或电流信息准确地估计出电机转速；重新设置变频器输出的电压幅值和频率，使得电机转速能够平稳的提升到指令转速，“旋转电机直接启动”即完成。为实现该功能，必须在快速、准确的估计电机转速的同时保证冲击电流尽量小、避免直流过压。

目前现有“旋转电机直接启动”过程中获取电机转速的方法有以下两种：

(1)定子输入恒定额定电流的V/F曲线电压比较法。搜索时始终保持定子电流为额定电流，比较变频器输出电压与V/F曲线上的电压值，二者相等时意味此时的输出频率就是转子频率。由于V/F曲线与定子额定电流的理论计算关系并不明确，因此该方法需要较为精确的参数设计，稍有偏差即会导致变频器过流故障。

(2)直流母线最小电流法。即借检测直流母线电流间接检测转子频率，基本原理是定子旋转磁场速度与电机转子速度相同时变频器直流母线电流最小。该方法由于需要在功率单元内部配置直流母线电流传感器及相关电路，限制了其实际应用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种简单、可靠、实用的旋转电机直接启动控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种旋转电机直接启动控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取电机当前实际转速：检测当前电机反电动势的大小，若电机反电动势大于电机额定电压的10％，通过数字锁相算法获取电机当前实际转速和磁链幅值；若电机反电动势小于等于电机额定电压的10％，通过搜频算法获取电机当前实际转速；

步骤2，将电机当前实际转速和磁链幅值作为初始值赋给无速度传感器矢量控制器，通过矢量控制算法将电机转速稳定于当前转速；

步骤3，根据设定的斜率分别提升电机磁链至电机磁链额定值、提升电机转速至电机额定转速。

进一步地，所述通过搜频算法获取电机当前实际转速的方法为：高压变频器先输出定子电压，之后逐步降低其输出频率，当与高压变频器相连的电机产生的定子电流幅值降低到设定的阈值时，说明变频器输出的转速频率与电机的转速频率相等，记此时与电机的转速频率对应的转速为电机当前实际转速。

进一步地，所述高压变频器输出的定子电压的频率为电机的额定频率、幅值为电机额定电压的10％。

更进一步地，所述矢量控制算法为基于磁链外环、励磁电流内环以及转速外环、转矩电流内环的双闭环控制算法。

本发明控制方法在转速获取阶段，根据电机反电动势大小的不同，分别采用不同的算法快速获取电机转速，获得的转速的更精确，相比于现有的方法，本发明不改变现有的主电路拓扑及硬件参数，成本低；电机转速精确获取以后，平稳地切换到无速度传感器矢量控制，保证了后续电机转速提升阶段的快速性和稳定性。该方法简单、可靠、安全实用，应用到大功率高压变频调速系统中后，能保证变频器在电机处于旋转状态下直接启动电机，避免发生故障或保护停机。

附图说明

图1为本发明控制系统的简化原理图。

图2为本发明的控制流程图。

图3为基于定子磁链定向的无速度传感器矢量控制算法原理框图。

图4为本发明实施例一中电机反电动势曲线示意图。

图5为本发明实施例一中定子磁链曲线示意图。

图6为本发明实施例一中电机转速曲线示意图。

图7为本发明实施例二中电机反电动势曲线示意图。

图8为本发明实施例二中定子电流幅值曲线示意图。

图9为本发明实施例二中电机真实转速和变频器输出频率转速曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，为本发明旋转电机直接启动控制系统的简化原理图，图2为本发明控制流程图，高压变频器一旦接收到启动命令，则系统立即进入旋转电机直接启动状态机，该状态机中主要分为自由旋转电机的转速获取阶段、电机转速平稳控制阶段和电机转速提升三个阶段。

1、转速获取阶段就是要准确地获取电机实时的转速信息，本专利首先根据电机端电压处配置的电压互感器检测当前电机反电动势的大小，并根据其值的大小分为以下两种情况分别进行处理：

a.若电机反电动势大于电机额定电压的10％，则可直接通过通过定子磁链定向矢量控制算法中的数字锁相算法获取电机当前的实际转速和磁链幅值，然后将实际转速和磁链幅值作为变量的初值赋给矢量控制算法中的相应变量。数字锁相算法获取转速的过程为：首先将定子电压进行积分运算获得定子磁链在αβ静止坐标系下的分量，再通过PARK变换将其变换到dq旋转坐标系下，数字锁相算法的核心就是通过PI运算，将定子磁链的q轴分量控制为零，稳定以后，定子磁链的d轴分量即为点击当前的磁链幅值，算法输出即为定子磁链角度及同步转速ω_s。

b.若检测的电机反电动势小于或等于电机额定电压的10％，由于受到采样精度以及外部干扰的影响，由测量结果已经难以准确地获得电机的转速和磁链值，此时必须采用搜频算法获取电机转速以达到目标。通过搜频算法获取电机转速的基本原理为：高压变频器首先输出一个频率为电机额定频率、幅值为电机额定电压10％大小的定子电压，定子电压幅值设置地较低是为了确保不会导致过流故障；然后逐渐降低输出频率，下降斜率约为每秒下降100r/min；随高压变频器输出频率的降低，与高压变频器相连的电机产生的定子电流也随之降低，当电机定子电流幅值降低到设定的阈值时(如电机额定电流的5％)，说明此时变频器输出的转速频率与电机转速频率相等，则记此时与电机的转速频率对应的转速为电机当前的实际转速，由于电机反电动势过低，故默认此时电机磁链幅值为零。

通过上述两种策略，即可准确地识别出当前自由旋转的电机的真实转速，随即控制方法进入第二个阶段，即电机转速平稳控制阶段。

2、在转速平稳控制阶段中，控制系统将上述获取的电机的转速值作为转速指令初始值赋给无速度传感器矢量控制器的相关变量中，同时由电机反电动势计算出的磁链幅值作为磁链指令初始值，投入矢量控制算法，矢量控制算法为基于磁链外环、励磁电流内环以及转速外环、转矩电流内环的双闭环控制算法。经过短暂的调整过程，即可控制电机，将其转速稳定于当前转速。待电机在当前转速下运行平稳以后，即转速误差小于1r/min时，控制方法即进入转速提升阶段。

图3为基于定子磁链定向的无速度传感器矢量控制算法原理框图，算法对AD采样得到的定子电压进行Clark变换以及积分运算，即可获得定子磁链ψ_α、ψ_β，以及磁链幅值ψ_m；再对定子磁链进行“数字锁相”即可获得定子磁链的角频率ω_s和旋转角度的正弦值sinθ_s和余弦值cosθ_s；转差频率ω_slip利用转矩电流及磁链进行计算，进而可以估计出电机转速ω_r；获取了磁链幅值、电机转速、以及旋转坐标下的定子励磁电流i_d和转矩电流i_q，基于磁链外环及励磁电流内环，转速外环及转矩电流内环的双闭环控制算法，即可实现对电机转速的精确控制。

3、在转速提升阶段中，控制方法同时进行以下两个操作：根据设定的斜率迅速恢复电机磁链至电机磁链额定值，提升斜率为每秒增加10Wb；根据设定的斜率平稳提升电机转速至电机额定转速，提升斜率约为每秒提升100r/min。上述两个操作完成以后，电机将稳定运行于额定转速，旋转电机直接启动亦即成功完成。

实施例一，如图4-6所示，为本发明在一台2500kW/6kV高压变频器上的一种运行效果示意图，实例中在第10秒时，高压电机由工频拖动迅速切换为变频拖动，此时虽然电机转速迅速下降，但是电机的反电动势仍然大于电机额定电压的10％，如图4所示，因此在转速获取阶段，直接通过反电动势采用数字锁相算法获取电机的转速及磁链值。第10.5秒时，控制方法进入转速平稳控制阶段，以当前的电机转速值及磁链值作为指令，通过矢量控制算法将电机转速稳定控制为750r/min，定子磁链幅值控制为11.4Wb，如图5、图6所示。电机转速稳定以后，控制方法进入转速提升阶段，由于此前电机已经受控，且运行平稳，只需要按照设定的曲线提升磁链和转速即可，电机转速以每秒100r/min的速度逐渐提升至额定转速992r/min。

实施例二，如图7-9所示，为本发明在一台2500kW/6kV高压变频器上的另一种运行效果示意图。在前8秒的转速获取阶段，由于电机惰转时间较长，电机反电动势电压已经低于电机额定电压的10％，如图7所示，因此必须采用搜频算法才能获得当前电机转速。随着图9中变频器输出频率逐渐降低接近电机的真实频率，图8中电机定子电流幅值由150A逐渐降低，当第8秒其降低至30A时，即可认为变频器输出频率已经近似等于当前电机频率，此时电机频率对应的转速即为电机当前的实际转速，控制方法即进入转速平稳控制阶段；在第8至10秒的转速平稳控制阶段中，变频器输出最大电流仅为250A，电机转速即稳定运行于310r/min；在10秒至19秒的转速提升阶段中，由于此前电机已经受控，且运行平稳，只需要按照设定的曲线提升磁链和转速即可，电机转速以每秒100r/min的速度逐渐提升至额定转速992r/min。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种旋转电机直接启动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取电机当前实际转速：检测当前电机反电动势的大小，若电机反电动势大于电机额定电压的10％，通过数字锁相算法获取电机当前实际转速和磁链幅值；若电机反电动势小于等于电机额定电压的10％，通过搜频算法获取电机当前实际转速；

所述通过搜频算法获取电机当前实际转速的方法为：高压变频器先输出定子电压，之后逐步降低其输出频率，当与高压变频器相连的电机产生的定子电流幅值降低到设定的阈值时，说明变频器输出的转速频率与电机的转速频率相等，记此时与电机的转速频率对应的转速为电机当前实际转速；

步骤2，将电机当前实际转速和磁链幅值作为初始值赋给无速度传感器矢量控制器，通过矢量控制算法将电机转速稳定于当前转速；

步骤3，根据设定的斜率分别提升电机磁链至电机磁链额定值、提升电机转速至电机额定转速。

2.根据权利要求1所述的一种旋转电机直接启动控制方法，其特征在于：所述高压变频器输出的定子电压的频率为电机的额定频率、幅值为电机额定电压的10％。

3.根据权利要求1所述的一种旋转电机直接启动控制方法，其特征在于：所述矢量控制算法为基于磁链外环、励磁电流内环以及转速外环、转矩电流内环的双闭环控制算法。