CN105577059A - 一种船用异步电机系统的噪声抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，将异步电机系统的电容中点与电机三相绕组的中点连接，计算三相电机在不同负载、不同转速下的电磁转矩脉动，绘制出q条曲线，在进行电机在线闭环控制时，计算当前转速和负载下的电磁转矩脉动理论值，并与当前电机的电磁转矩脉动实际值进行比较，通过PI调节器进行比较输出电压补偿值；将电压补偿值补偿到V/F输出的电压值，将输出的电压值与V/F积分的角度合成输出的电压矢量，送至PWM模块，由PWM模块输出驱动信号。此方法可通过离线的方式测试出电机的电磁转矩脉动大小，并利用电机电磁转矩脉动值与在线系统的电磁转矩脉动值进行闭环控制，以改善电机的磁场脉动大小，从而改善电机电磁噪声问题。

Description

一种船用异步电机系统的噪声抑制方法
技术领域
本发明属于交流传动技术领域，特别涉及一种船用异步电机系统的噪声抑制方法。
背景技术
由于发展国家海洋资源已经成为国家重要的基本国策之一，因此海洋的设备研发是海洋资源开发的重要技术支撑。而海上资源的开发，船用装备的提供是一个重要的技术支撑，因此有必要对船用电机系统的研发进行探讨。在海上船用设备系统由于具有独特的工作环境，技术要求高，我国目前正处于起步阶段。海上的特殊环境使得船用设备的噪声对工作环境产生影响，同时也会影响设备之间的电磁辐射。而海上的船用设备在海洋资源开发上起到支撑的作用。
海上船用设备系统具有可靠性要求高以及系统效率高的特点，首先要求电机的转子结构无刷化，坚固耐用，维护简单，其次变换器能够可靠地工作也是一大要求，而且海上船用设备系统呈现出低电磁噪声的发展趋势，因此对系统的性能要求也越来越高。为了更好地满足船用系统的要求，降低船用噪声是当前电机系统存在的一个重要问题，而电磁噪声是电机噪声的重要组成部分。电机系统中电磁噪声产生的原因之一是本身电机系统进行闭环控制时由于没有控制好电机的磁场而产生的。
传统的船用三相异步电机控制系统没有考虑电磁转矩脉动，也没有考虑电机的电磁转矩脉动最小化，并引入至电机系统的闭环控制中，因此系统的控制效果存在着转矩脉动大的问题，有待改进。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，其可通过离线的方式测试出电机的电磁转矩脉动大小，并利用电机电磁转矩脉动值与在线系统的电磁转矩脉动值进行闭环控制，以改善电机的磁场脉动大小，从而改善电机电磁噪声问题。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，用于对异步电机系统进行控制，所述异步电机系统包括三相异步电机、滤波电路和三相逆变器，其中，三相异步电机通过三条功率线与滤波电路连接，而滤波电路连接三相逆变器的输出端；所述三相逆变器的母线上串接有两个电容，且电容的连接中点与三相异步电机的三相绕组中点连接；所述方法包括如下步骤：
(1)分别采样三相异步电机的相电压和相电流，根据采样得到的数据计算三相异步电机的电磁转矩，将电磁转矩脉动的大小对应此时的负载和转速绘制成曲线；然后使三相异步电机运行在不同负载、不同转速下，重复计算电磁转矩，得到不同负载、不同转矩下的电磁转矩脉动曲线q条，q为自然数；
(2)对以上q条曲线进行拟合，得到电磁转矩脉动与转速、负载之间的函数，并获得不同转速和负载下的电磁转矩脉动最小值；
(3)进行电机在线闭环控制时，根据步骤(2)得到的函数计算当前转速和负载下的电磁转矩脉动理论值，并与当前电机的电磁转矩脉动实际值进行比较，通过PI调节器进行比较输出电压补偿值；
(4)将电压补偿值补偿到V/F输出的电压值，将输出的电压值与V/F积分的角度合成输出的电压矢量，送至PWM模块，由PWM模块输出驱动信号。
上述步骤(1)中，改变三相异步电机的负载时，每隔p％额定转矩和p％额定转速进行调整，其中，0<p<100。
上述步骤(1)中，p和q的取值满足p*q＝100。
上述步骤(2)中，利用MATLAB软件采用最小误差的方法对步骤(1)中的20条曲线进行拟合。
上述异步电机系统中，滤波电路由一个四阶低通滤波器和电机漏感共同构成。
上述异步电机系统中，三相逆变器的母线上串接有两个电容，且电容的连接中点与三相异步电机的三相绕组中点连接。
采用上述方案后，本发明具有以下特点：
(1)控制实时性好，方便实现，易于与现有控制方法相结合的优点；
(2)通过本发明可以获取电机的电磁转矩脉动最小值；
(3)本发明通过采用电磁转矩脉动最小值闭环控制实现最小电磁转矩脉动的控制，有效地解决电机磁场饱和带来的电机电磁噪声问题。
附图说明
图1是本发明的应用对象船用异步电机系统的整体架构图；
图2是本发明的控制框图；
图3是船用异步电机系统在不同负载下系统频率与转矩脉动的关系示意图；
图4是船用异步电机系统中滤波电路的构成示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
首先如图1所示，是本发明的控制对象船用异步电机系统的组成框图，通过三相DC/AC变换器提供，用以控制电机输出转矩，所述船用异步电机系统包括三相异步电机1、滤波电路2、三相逆变器3和控制器4，其中，三相异步电机1通过三条功率线与滤波电路2连接，而滤波电路2连接三相逆变器3的输出端；所述三相逆变器3的母线上串接有两个电容，且电容的连接中点与三相异步电机1的三相绕组中点连接；控制器4的输出端连接三相逆变器3，向三相逆变器输出驱动信号。其中，滤波电路2采用五阶低通滤波器，可利用一个四阶低通滤波器和电机漏感共同构成，具体来说，配合图4所示，通过两个电感同时并接两个电容再结合三相异步电机的漏感构成一个五阶低通滤波器。
如图2所示，本发明提供一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，包括如下步骤：
(1)利用交流电压传感器5和交流电流传感器6分别采样三相异步电机的相电压和相电流，根据采样得到的数据计算三相异步电机的电磁转矩，将电磁转矩脉动的大小对应此时的负载和转速绘制成曲线；然后使三相异步电机运行在不同负载(每隔5％额定转矩)、不同转速(每隔5％额定转速)下，重复计算电磁转矩，得到不同负载、不同转矩下的电磁转矩脉动曲线20条；根据p*q＝100确定需得到电磁转矩脉动曲线的数量，其中，p％表示转矩和转速改变的间隔，且0<p<100，q表示曲线的数量；
(2)在MATLAB软件环境中采用最小误差的方法对以上20条曲线进行拟合，得到电磁转矩脉动与转速、负载之间的函数；
(3)进行电机在线闭环控制时，根据步骤(2)得到的函数计算当前转速n和转矩T下的电磁转矩脉动理论值ΔT，并与当前电机的电磁转矩脉动实际值ΔTmin进行比较，通过PI调节器进行比较输出电压补偿值Δu，如图2所示，V/F输出的电压值us是根据转速n乘以比例系数获得的，而电压角度θ是对转速n的积分；
(4)将电压补偿值Δu补偿到V/F输出的电压值us，将输出的电压幅值u与V/F积分的电压角度θ合成输出的电压矢量，送至PWM模块，由PWM模块输出驱动信号。
图3所示为不同负载下、不同转速下的电机电磁转矩脉动的示意图。船用异步电机系统通过离线的方式测试出共有20种不同负载、转速下的电磁转矩脉动曲线图，将这些数值导入MATLAB软件中，采用最小误差的方法，对其进行拟合，求得转矩脉动值与转矩以及转速三者之间的函数关系，并获得不同转速和负载下的转矩脉动值。
综合上述，本发明一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，基于三相逆变器的电容电压的中点和电机三相绕组的中点连接的方式，并采用五阶低通滤波器，首先在硬件上有着较好的滤波效果，能够输出较好正弦度的电压；其次，能够从电机的控制方法的角度出发，引入离线的电机电磁转矩脉动的测试方法，并在此方法的基础上求得电磁转矩脉动与转速、负载三者之间的函数关系；最后，利用电磁转矩脉动理论值与系统在线运行时电机电磁转矩脉动实际值的大小进行比较，采用闭环控制地方式，使得系统能够输出较小的电磁转矩脉动值。这是因为随着施加在三相异步电机上的电压越大，其噪声也越大，那么通过改变施加在电机上的电压，可以抑制电机电磁噪声，降低电机的磁场脉动，并解决电机的电磁转矩脉动大的问题。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，用于对异步电机系统进行控制，所述异步电机系统包括三相异步电机、滤波电路和三相逆变器，其中，三相异步电机通过三条功率线与滤波电路连接，而滤波电路连接三相逆变器的输出端；其特征在于所述方法包括如下步骤：
(1)分别采样三相异步电机的相电压和相电流，根据采样得到的数据计算三相异步电机的电磁转矩，将电磁转矩脉动的大小对应此时的负载和转速绘制成曲线；然后使三相异步电机运行在不同负载、不同转速下，重复计算电磁转矩，得到不同负载、不同转矩下的电磁转矩脉动曲线q条，q为自然数；
(2)对以上q条曲线进行拟合，得到电磁转矩脉动与转速、负载之间的函数，并获得不同转速和负载下的电磁转矩脉动最小值；
(3)进行电机在线闭环控制时，根据步骤(2)得到的函数计算当前转速和负载下的电磁转矩脉动理论值，并与当前电机的电磁转矩脉动实际值进行比较，通过PI调节器进行比较输出电压补偿值；
(4)将电压补偿值补偿到V/F输出的电压值，将输出的电压值与V/F积分的角度合成输出的电压矢量，送至PWM模块，由PWM模块输出驱动信号。
2.如权利要求1所述的一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，改变三相异步电机的负载时，每隔p％额定转矩和p％额定转速进行调整，其中，0<p<100。
3.如权利要求2所述的一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，p和q的取值满足p*q＝100。
4.如权利要求1所述的一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，利用MATLAB软件采用最小误差的方法对步骤(1)中的20条曲线进行拟合。
5.如权利要求1所述的一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，其特征在于：所述异步电机系统中，滤波电路由一个四阶低通滤波器和电机漏感共同构成。
6.如权利要求1所述的一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，其特征在于：所述异步电机系统中，三相逆变器的母线上串接有两个电容，且电容的连接中点与三相异步电机的三相绕组中点连接。
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