CN105610290A - 一种船用低噪音异步电机系统、控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种船用低噪音异步电机系统，三相逆变器母线电容的连接中点与电机三相绕组中点连接。本发明还公开一种控制系统，分别利用交流电流传感器和温度传感器采样相电流和定子温度，再由控制器计算输出驱动信号。本发明还公开一种控制方法，首先计算三个定子电阻的参数值，再以A相电阻值作为基准值，B相和C相计算出来的电阻参数分别和A相的电阻参数作差，求得B相和C相的电阻参数差值；将电阻参数差值乘以相电流，得到B相和C相的电压补偿值，A相电压补偿值为0；将三相电压补偿值与三相给定电压值分别进行叠加，得到输出的给定驱动信号。此种技术方案可解决定子电阻受温度变化影响产生的不对称电流及其产生的电机电磁噪声问题。

Description

一种船用低噪音异步电机系统、控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于交流传动技术领域，特别涉及一种船用低噪音异步电机系统，以及对该异步电机系统进行控制的控制系统及控制方法。
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、系统效率高的特点，首先要求电机的转子结构是无刷化，坚固耐用，维护简单等特点，而变换器能够可靠的工作也是一大需求以及海上船用设备系统呈现出低噪声的发展趋势，使得系统的性能要求也越来越高。因此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。电机的电磁噪声是噪声的重要组成部分，其电磁噪声产生的原因之一是受温度变化影响和工作环境的影响产生的。由于电阻参数的变化，导致三相系统的气隙磁场不正弦，从而影响电机的转矩特性，对转矩的脉动产生影响，导致电磁噪声干扰。
传统的船用三相异步电机控制系统都是基于三相电机系统采用电机中点不与电容电压的中点相连接的拓扑，从理论上并未充分利用逆变器的可控制自由度，因此系统的控制效果也是不理想的。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种船用低噪音异步电机系统、控制系统及控制方法，其可解决定子电阻受温度变化影响产生的不对称电流及其产生的电机电磁噪声问题。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种船用低噪音异步电机系统，包括三相异步电机、滤波电路、三相逆变器和控制器，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；控制器的输出端连接三相逆变器，向三相逆变器输出驱动信号。
上述滤波电路由一个四阶低通滤波器和电机漏感共同构成。
上述四阶低通滤波器包含第一、第二电感和第一、第二电容，第二电感的一端与第一电感连接，第二电感的另一端连接电机漏感；第一电容的一端连接在第一、第二电感之间，第二电容的一端连接在第二电感和电机漏感之间，第一、第二电容的另一端短接。
一种如前所述的船用低噪音异步电机系统的控制系统，包括控制器、交流电流传感器和温度传感器，其中，交流电流传感器用于采样三相异步电机的相电流；温度传感器连接三相异步电机的定子，用以采样定子温度；控制器根据前述采样的数据，计算输出的补偿电压并最终向三相逆变器输出驱动信号。
一种如前所述的船用低噪音异步电机系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)利用定子温度计算三个定子电阻的参数值；
(2)以A相电阻值作为基准值，B相和C相计算出来的电阻参数分别和A相的电阻参数作差，求得B相和C相的电阻参数差值；
(3)将前述电阻参数差值乘以B相和C相的相电流，得到B相和C相的电压补偿值，A相电压补偿值为0；
(4)将三相电压补偿值与三相给定电压值分别进行叠加，得到三相电压输出的给定驱动信号。
上述步骤(1)中，根据下式计算三个定子电阻的电阻参数：RA＝ΔR+RA0，RB＝ΔR+RB0，RC＝ΔR+RC0，其中，RA、RB、RC分别为A相、B相、C相中定子电阻的电阻参数，ΔR表示温度补偿值，RA0、RB0、RC0分别为A相、B相、C相的定子初始温度。
上述温度补偿值ΔR的计算公式是ΔR＝k1*T，其中，k1为电机电阻参数受温度影响的变化系数，T为定子温度。
采用上述方案后，本发明具有以下特点：
(1)通过采用五阶低通滤波器，能够有效地滤除定子上的高频谐波分量；
(2)通过采用电机绕组中点和逆变器电容电压的中点相连接的方式，以及采用定子电阻的压降补偿的方法，有效地解决电机定子电阻因发热导致的不平衡问题进而产生电机电磁噪声的问题。
附图说明
图1是本发明异步电机系统的整体架构图；
图2是本发明异步电机系统的等效电路示意图；
图3是本发明异步电机系统中滤波电路的构成示意图；
图4是本发明控制方法的原理示意图；
图5是定子电阻值与温度的关系示意图；
图6是滤波电路的幅值特性示意图。
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。
如图1所示，本发明提供一种船用低噪音异步电机系统，通过三相DC/AC变换器提供，用以控制电机输出转矩，所述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5，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5的输出端连接三相逆变器3，向三相逆变器输出驱动信号。
图2为异步电机系统的等效电路示意图，依据等效电路图和下式可知当定子电阻不等时，要想有效地控制电机的气隙磁场，需要有效地控制三相定子电流的大小，进而有效地控制电机的转矩脉动，保证电机低噪声的正常运行。
u A ′ = u a - R A i A u B ′ = u b - R B i B u C ′ = u c - R C i C
其中，ua、ub、uc为逆变器输出的电压，RA、RB、RC为电机的三相电阻，iA、iB、iC为三相定子电流，u'A、u'B、u'C为三相逆变器的输出电压扣掉定子电阻压降的电压。
在本实施例中，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3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，由左向右依次定义为第一、第二电感和第一、第二电容，其中，第二电感的一端与第一电感连接，第二电感的另一端连接电机漏感；第一电容的一端连接在第一、第二电感之间，第二电容的一端连接在第二电感和电机漏感之间，第一、第二电容的另一端短接。图6所示是五阶低通滤波器的输出幅值特性图，可知其对高频分量的滤波效果较好。
基于以上异步电机系统，本发明提供一种船用低噪音异步电机系统的控制系统，包括控制器5、直流电压传感器4、交流电压传感器6、交流电流传感器7和温度传感器8，其中，直流电压传感器4连接三相逆变器3的母线，用以采样三相逆变器的直流电压；交流电压传感器6和交流电流传感器7分别用于采样三相异步电机的相电压和相电流，温度传感器8连接三相异步电机的定子，用以采样定子温度。控制器5根据前述采样的数据，计算输出的补偿电压并最终向三相逆变器3输出驱动信号。其中，直流电压传感器4采集的直流电压和交流电压传感器6采集的相电压主要用于保护。
基于以上控制系统，配合图4所示，具体的控制方法包括如下步骤：
(1)根据温度传感器采样的定子温度T，依据三相定子电阻参数的变化函数f(T)计算三个定子电阻的电阻参数,即RA＝ΔR+RA0，RB＝ΔR+RB0，RC＝ΔR+RC0，其中，RA、RB、RC分别为A相、B相、C相中定子电阻的电阻参数，ΔR表示温度补偿值，RA0、RB0、RC0分别为A相、B相、C相的定子初始温度；所述变化函数可以采用ΔR＝f(T)＝k1*T，其中，k1为电机电阻参数受温度影响的变化系数，T为定子温度；
(2)以A相电阻参数作为基准值，B相和C相电阻参数分别与A相电阻参数作差，求得B相和C相的电阻参数差值，即ΔRBA＝RB-RA，ΔRCA＝RC-RA，其中，ΔRBA、ΔRCA分别为B相、C相与A相的电阻参数差值；
(3)将前述电阻参数差值乘以采样得到的相电流，得到三相电压补偿值，其中，A相的电压补偿值ΔuA为零，即ΔuA＝0，ΔuB＝ΔRBA*iB，ΔuC＝ΔRCA*iC，ΔuB、ΔuC分别为B相、C相的电压补偿值，iB、iC分别为B相、C相的相电流；
(4)将三相电压补偿值与给定电压值进行叠加作为电压输出的给定驱动信号，即uA＝uA0+ΔuA，uB＝uB0+ΔuB，uC＝uC0+ΔuC，其中，uA、uB和uC分别为A相、B相和C相电压输出的给定驱动信号，uA0、uB0和uC0分别为A相、B相和C相的给定电压值。
综合上述，本发明一种船用低噪音异步电机系统，采用五阶低通滤波器有效滤除定子上的高频谐波分量，同时电机三相绕组中点与电容电压的中点相连的方式，为零序电流提供通路，电机定子电阻因发热导致电机气隙磁场上所加的电压不对称，进而产生电机电磁噪声问题。通过保证产生气隙磁场上所加的电压对称，从而有效地解决气隙磁场不对称导致的电磁噪声问题。
本发明提供的控制系统及控制方法，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，控制电机的定子三相电流，从理论上能够最大限度地利用三相逆变器的可控制量，从而提高电机的气隙磁场的正弦度和降低电机电磁转矩脉动，并解决电机的电磁噪声问题。
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 (7)

1.一种船用低噪音异步电机系统，其特征在于：包括三相异步电机、滤波电路、三相逆变器和控制器，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；控制器的输出端连接三相逆变器，向三相逆变器输出驱动信号。
2.如权利要求1所述的一种船用低噪音异步电机系统，其特征在于：所述滤波电路由一个四阶低通滤波器和电机漏感共同构成。
3.如权利要求2所述的一种船用低噪音异步电机系统，其特征在于：所述四阶低通滤波器包含第一、第二电感和第一、第二电容，第二电感的一端与第一电感连接，第二电感的另一端连接电机漏感；第一电容的一端连接在第一、第二电感之间，第二电容的一端连接在第二电感和电机漏感之间，第一、第二电容的另一端短接。
4.一种如权利要求1所述的船用低噪音异步电机系统的控制系统，其特征在于：包括控制器、交流电流传感器和温度传感器，其中，交流电流传感器用于采样三相异步电机的相电流；温度传感器连接三相异步电机的定子，用以采样定子温度；控制器根据前述采样的数据，计算输出的电压补偿值并最终向三相逆变器输出驱动信号。
5.一种如权利要求1所述的船用低噪音异步电机系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)利用定子温度计算三个定子电阻的参数值；
(2)以A相电阻值作为基准值，B相和C相计算出来的电阻参数分别和A相的电阻参数作差，求得B相和C相的电阻参数差值；
(3)将前述电阻参数差值乘以B相和C相的相电流，得到B相和C相的电压补偿值，A相电压补偿值为0；
(4)将三相电压补偿值与三相给定电压值分别进行叠加，得到三相电压输出的给定驱动信号。
6.如权利要求5所述的一种船用低噪音异步电机系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，根据下式计算三个定子电阻的电阻参数：RA＝ΔR+RA0，RB＝ΔR+RB0，RC＝ΔR+RC0，其中，RA、RB、RC分别为A相、B相、C相中定子电阻的电阻参数，ΔR表示温度补偿值，RA0、RB0、RC0分别为A相、B相、C相的定子初始温度。
7.如权利要求6所述的一种船用低噪音异步电机系统的控制方法，其特征在于：所述温度补偿值ΔR的计算公式是ΔR＝k1*T，其中，k1为电机电阻参数受温度影响的变化系数，T为定子温度。
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