CN107888122A - 一种用于高压变频器的矢量控制系统及其策略方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压变频器的矢量控制系统，包括高压变频器、异步电动机以及控制器，所述高压变频器与异步电动机电性连接，所述控制器的信号输入端分别与高压变频器的信号输出端、异步电动机的信号输入端电性连接以采集电流或电压信号，所述控制器的信号输出端与高压变频器的信号输出端电性连接以对所述电流或电压信号进行预励磁控制、PI调节、电压前馈以输出高压变频器控制异步电动机启动的脉宽调制信号，实现了整个启动过程高压变频器的输出电压、电流，异步电动机转速均平稳、无冲击。

Description

一种用于高压变频器的矢量控制系统及其策略方法

技术领域

本发明涉及矢量控制领域，特别是一种用于高压变频器的矢量控制系统及其策略方法。

背景技术

矢量控制技术在高压变频调试系统中的应用日益广泛，对稳定性的要求也越来越高。矢量控制系统作为闭环系统，初始起动瞬间如果磁链未建立起来，则起动将无法成功，甚至可能造成电机过流损坏。因此，预励磁技术是矢量控制起动中的关键技术。

根据通入电流的类型，异步电动机矢量控制预励磁可分为直流预励磁和交流交流励磁。直流预励磁是通过变频器斩波产生的直流电压在三相定子上产生直流电流，进行建立固定方向的磁场。但直流预励磁会受到开关频率、滤波器等影响，励磁过程中可能会出现电压、电流大幅振荡，无法稳定建立磁场。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于高压变频器的矢量控制系统及其策略方法。

本发明采用的技术方案是：

一种用于高压变频器的矢量控制系统及其策略方法，包括高压变频器、异步电动机以及控制器，所述高压变频器与异步电动机电性连接，所述控制器的信号输入端分别与高压变频器的信号输出端、异步电动机的信号输入端电性连接以采集电流或电压信号，所述控制器的信号输出端与高压变频器的信号输出端电性连接以对所述电流或电压信号进行预励磁控制、PI调节、电压前馈以输出高压变频器控制异步电动机启动的脉宽调制信号。

所述控制器包括第一计算模块、磁链观测模块、转速辨识模块、第二计算模块、磁链外环、转速外环、电流内环、第三计算模块以及移相式SPWM脉宽调制模块，所述第一计算模块用于将高压变频器的输出电压e_a、e_b、e_c或输出电流i_a、i_b、i_c进行等功率3s/2s变换至αβ坐标系，得到e_α、e_β、i_α、i_β作为反馈量以用于磁链观测、转速辨识，所述磁链观测模块用于将反馈量e_α、e_β、i_α、i_β进行计算并得出转子磁链ψ_r、αβ坐标系中的磁链分量以及相位角θ，转速辨识模块用于将反馈量i_α、i_β以及磁链分量进行计算得出辨识转速ω_r，所述磁链外环用于将给定磁链与转子磁链ψ_r进行比较得出差值Δψ_r后进行PI调节得到励磁电流给定量所述转速外环用于将给定转速与辨识转速ω_r进行比较得出差值Δω_r后进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq，第二计算模块用于根据相位角θ将反馈量i_α、i_β进行2s/2r旋转坐标系的变换，得到励磁电流i_sd、转矩电流i_sq，所述电流内环用于根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量并将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq进行比较得出差值Δi_sd后进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量同时将励磁电流给定量与励磁电流i_sd进行比较得出差值Δi_sq后进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三计算模块用于根据相位角θ将电压分量进行等功率2r/3s的dq坐标系到abc坐标系的变换，得到三相调制波，所述移相式SPWM脉宽调制模块用于将三相调制波与移相载波进行整合生成PWM开关信号以控制高压变频器工作。

所述磁链外环模块包括第一PI调节器，所述第一PI调节器用于将给定磁链与转子磁链ψ_r的差值Δψ_r进行PI调节得到励磁电流给定量

所述转速外环模块包括第二PI调节器，所述第二PI调节器用于将给定转速与辨识转速ω_r的差值Δω_r进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq。

所述电流内环模块包括交流预励磁控制模块、第三PI调节器以及第四PI调节器，交流预励磁控制模块用于根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量第四PI调节器用于将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq的差值Δi_sd进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三PI调节器用于将励磁电流给定量与励磁电流i_sd的差值Δi_sq进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量

一种应用高压变频器矢量控制系统的策略方法，包括以下步骤：

S1、用三相电压传感器采集高压变频器输出电压信号e_a、e_b、e_c，将输出电压信号e_a、e_b、e_c，通过第一计算模块等功率3s/2s变换至αβ坐标系得到e_α、e_β作为磁链观测、转速辨识的反馈量；

S2、用三相电流传感器采集高压变频器输出电流信号i_a、i_b、i_c，将输出电流信号i_a、i_b、i_c通过第一计算模块等功率3s/2s变换至αβ坐标系得到i_α、i_β作为磁链观测、转速辨识的反馈量；

S3、将αβ坐标系中的反馈量e_α、e_β、i_α、i_β通过磁链观测模块中电压电流混合型磁链观测模型处理后得到转子磁链ψ_r、αβ坐标系中的磁链分量以及相位角θ；

S4、以S3中的磁链分量和反馈量i_α、i_β，传输到转速辨识模块中并根据参考模型与可调模型的结果经自适应环节的调节得到辨识转速ω_r；

S5、第一PI调节器将给定磁链与转子磁链ψ_r的差值Δψ_r进行PI调节得到励磁电流给定量第二PI调节器将给定转速与辨识转速ω_r的差值Δω_r进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq；

S6、第二计算模块根据相位角θ将反馈量i_α、i_β进行2s/2r旋转坐标系的变换，得到励磁电流i_sd、转矩电流i_sq，交流预励磁控制模块根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量第四PI调节器用于将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq的差值Δi_sd进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三PI调节器用于将励磁电流给定量与励磁电流i_sd的差值Δi_sq进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量

S7、第三计算模块根据相位角θ将电压分量进行等功率2r/3s的dq坐标系到abc坐标系的变换，得到A、B、C三相调制波，所述移相式SPWM脉宽调制模块将三相调制波与移相载波进行整合生成PWM开关信号以控制高压变频器工作。

本发明的有益效果：本发明基于无速度传感器矢量控制技术，在高压变频调速系统中运用变频变压交流预励磁方法，交流预励磁过程中电流平滑变换，无冲击或振荡，并在预励磁结束后进行软启动，使转速环输出按一定斜率上升，实现了整个启动过程高压变频器的输出电压、电流，异步电动机转速均平稳、无冲击。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明第二转矩电流给定量的给定波形图。

图3是本发明转矩电流i_sq的实际波形图。

图4是本发明异步电动机的转速波形图。

图5是本发明转子磁链ψ_r的实际波形图。

图6是本发明异步电动机的输出电压图。

图7是本发明异步电动机的输出电流图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于高压变频器的矢量控制系统，包括高压变频器、异步电动机以及控制器，所述高压变频器与异步电动机电性连接，所述控制器的信号输入端分别与高压变频器的信号输出端、异步电动机的信号输入端电性连接以采集电流或电压信号，所述控制器的信号输出端与高压变频器的信号输出端电性连接以对所述电流或电压信号进行预励磁控制、PI调节、电压前馈以输出高压变频器控制异步电动机启动的脉宽调制信号，在本实施例中，高压变频器为级联型高压变频器。

所述控制器包括第一计算模块、磁链观测模块、转速辨识模块、第二计算模块、磁链外环、转速外环、电流内环、第三计算模块以及移相式SPWM脉宽调制模块，所述第一计算模块用于将高压变频器的输出电压e_a、e_b、e_c或输出电流i_a、i_b、i_c进行等功率3s/2s变换至αβ坐标系，得到e_α、e_β、i_α、i_β作为反馈量以用于磁链观测、转速辨识，所述磁链观测模块用于将反馈量e_α、e_β、i_α、i_β进行计算并得出转子磁链ψ_r、αβ坐标系中的磁链分量以及相位角θ，转速辨识模块用于将反馈量i_α、i_β以及磁链分量进行计算得出辨识转速ω_r，所述磁链外环用于将给定磁链与转子磁链ψ_r进行比较得出差值Δψ_r后进行PI调节得到励磁电流给定量所述转速外环用于将给定转速与辨识转速ω_r进行比较得出差值Δω_r后进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq，第二计算模块用于根据相位角θ将反馈量i_α、i_β进行2s/2r旋转坐标系的变换，得到励磁电流i_sd、转矩电流i_sq，所述电流内环用于根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量并将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq进行比较得出差值Δi_sd后进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量同时将励磁电流给定量与励磁电流i_sd进行比较得出差值Δi_sq后进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三计算模块用于根据相位角θ将电压分量进行等功率2r/3s的dq坐标系到abc坐标系的变换，得到三相调制波，所述移相式SPWM脉宽调制模块用于将三相调制波与移相载波进行整合生成PWM开关信号以控制高压变频器工作。

其中，所述磁链外环模块包括第一PI调节器，所述第一PI调节器用于将给定磁链与转子磁链ψ_r的差值Δψ_r进行PI调节得到励磁电流给定量

其中，所述转速外环模块包括第二PI调节器，所述第二PI调节器用于将给定转速与辨识转速ω_r的差值Δω_r进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq。

其中，所述电流内环模块包括交流预励磁控制模块、第三PI调节器以及第四PI调节器，交流预励磁控制模块用于根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量第四PI调节器用于将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq的差值Δi_sd进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三PI调节器用于将励磁电流给定量与励磁电流i_sd的差值Δi_sq进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量

一种应用所述高压变频器矢量控制系统的策略方法，包括以下步骤：

S1、用三相电压传感器采集高压变频器输出电压信号e_a、e_b、e_c，将输出电压信号e_a、e_b、e_c，通过第一计算模块等功率3s/2s变换至αβ坐标系得到α、β量，即e_α、e_β作为磁链观测、转速辨识的反馈量；

S2、用三相电流传感器采集高压变频器输出电流信号i_a、i_b、i_c，将输出电流信号i_a、i_b、i_c通过第一计算模块等功率3s/2s变换至αβ坐标系得到α、β量，即i_α、i_β作为磁链观测、转速辨识的反馈量；

S3、将αβ坐标系中的反馈量e_α、e_β、i_α、i_β通过磁链观测模块中电压电流混合型磁链观测模型处理后得到转子磁链ψ_r、αβ坐标系中的磁链分量以及相位角θ；

S4、以S3中的磁链分量和反馈量i_α、i_β，传输到转速辨识模块中并根据参考模型与可调模型的结果经自适应环节的调节得到辨识转速ω_r；

S5、第一PI调节器将给定磁链与转子磁链ψ_r的差值Δψ_r进行PI调节得到励磁电流给定量第二PI调节器将给定转速与辨识转速ω_r的差值Δω_r进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq，以恒定的磁链值作为给定，以磁链观测的给定磁链作为反馈量，将其误差值经第一PI调节器调节，使异步电动机运行时磁链值维持在给定值附近，保证磁通的恒定，避免异步电动机运行在不同转速或不同负载下出现过励磁或欠励磁的现象，导致过流等问题。同时，以给定转速与辨识转速ω_r作比较，差值经第二PI调节器调节，使电机能快速响应给定转速并能稳定地跟踪给定转速

S6、第二计算模块根据相位角θ将反馈量i_α、i_β进行2s/2r旋转坐标系的变换，得到励磁电流i_sd、转矩电流i_sq，交流预励磁控制模块根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量第四PI调节器用于将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq的差值Δi_sd进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三PI调节器用于将励磁电流给定量与励磁电流i_sd的差值Δi_sq进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量根据异步电动机在同步坐标系下的电压方程及磁链方程可得：

其中，L_m是励磁电感，σ_r是转子时间常数倒数，ψ_rd是转子磁链ψ_r的d轴分量，ψ_rq是转子磁链ψ_r的q轴分量，ω_s是转差频率，p是微分算子。

由(1)式可得定子电流的一般公式为：

由(2)式可知，在稳态时定子电流的幅值与转差频率ω_s、转子磁链ψ_r在d、q轴上的分量ψ_rd、ψ_rq相关。电机励磁需要一定的励磁电流，在保证足够磁链的情况下，要使起动电流最小，则转矩电流i_sq应最小，取转矩电流i_sq＝0。

由转子磁场定向理论可得：

转子磁链ψ_r在一阶惯性环节下随着励磁电流i_sd的增大快速建立起来，在预励磁阶段保持转速环输出为0，即转矩电流i_sq给定保持为0，磁链环输出正常，预励磁结束后，再使转速环输出按一定斜率上升，以使起动过程平滑过渡。

交流预励磁阶段控制策略如下所示：

(4)式中由两相旋转坐标系到三相静止坐标系可得：

其中由式(4)、(5)可知，刚启动时，励磁电流i_sd在给定磁链环的作用下迅速形成给定值，励磁电流i_sd跟踪给定，使上升，此时转矩电流i_sq给定为0，缓慢变大，进而使U_m逐步增大，交流预励磁控制模块输出逐步增大的第二转矩电流给定量

S7、第三计算模块根据相位角θ将电压分量进行等功率2r/3s的dq坐标系到abc坐标系的变换，得到A、B、C三相调制波，所述移相式SPWM脉宽调制模块将三相调制波与移相载波进行整合生成PWM开关信号以控制高压变频器工作。

作为进一步的实验验证，采用6kV级联型高压变频器带6kV高压异步电动机作为试验平台，其中异步电动机参数：额定电压为6kV，额定电流为66.3A，额定功率为1000kW，定子电阻为0.503Ω，转子电阻为1.174Ω，定转子漏感为9.71mH，定转子互感为407.6mH，极对数为2，额定转速为1487r/min。

试验中给定转速为1500r/min，给定磁链为14.6Wb，异步电动机带10％的负载起动。设置的预励磁时间为8s，实验波形如图2-图7所示，预励磁阶段转速环输出Isq_ref值保持为0，磁链在逐步建立，高压变频器输出较低的电压值，异步电动机转速缓慢升高；预励磁结束后，异步电动机的转速快速上升，直到达到给定转速后趋于平稳。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于高压变频器的矢量控制系统，其特征在于:包括高压变频器、异步电动机以及控制器，所述高压变频器与异步电动机电性连接，所述控制器的信号输入端分别与高压变频器的信号输出端、异步电动机的信号输入端电性连接以采集电流或电压信号，所述控制器的信号输出端与高压变频器的信号输出端电性连接以对所述电流或电压信号进行预励磁控制、PI调节、电压前馈以输出高压变频器控制异步电动机启动的脉宽调制信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于高压变频器的矢量控制系统，其特征在于：所述控制器包括第一计算模块、磁链观测模块、转速辨识模块、第二计算模块、磁链外环、转速外环、电流内环、第三计算模块以及移相式SPWM脉宽调制模块，所述第一计算模块用于将高压变频器的输出电压e_a、e_b、e_c或输出电流i_a、i_b、i_c进行等功率3s/2s变换至αβ坐标系，得到e_α、e_β、i_α、i_β作为反馈量以用于磁链观测、转速辨识，所述磁链观测模块用于将反馈量e_α、e_β、i_α、i_β进行计算并得出转子磁链ψ_r、αβ坐标系中的磁链分量以及相位角θ，转速辨识模块用于将反馈量i_α、i_β以及磁链分量进行计算得出辨识转速ω_r，所述磁链外环用于将给定磁链与转子磁链ψ_r进行比较得出差值Δψ_r后进行PI调节得到励磁电流给定量所述转速外环用于将给定转速与辨识转速ω_r进行比较得出差值Δω_r后进行PI调节得到第一转矩电流给定量第二计算模块用于根据相位角θ将反馈量i_α、i_β进行2s/2r旋转坐标系的变换，得到励磁电流i_sd、转矩电流i_sq，所述电流内环用于根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量并将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq进行比较得出差值Δi_sd后进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量同时将励磁电流给定量与励磁电流i_sd进行比较得出差值Δi_sq后进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三计算模块用于根据相位角θ将电压分量进行等功率2r/3s的dq坐标系到abc坐标系的变换，得到三相调制波，所述移相式SPWM脉宽调制模块用于将三相调制波与移相载波进行整合生成PWM开关信号以控制高压变频器工作。

3.根据权利要求2所述的一种用于高压变频器的矢量控制系统，其特征在于：所述磁链外环模块包括第一PI调节器，所述第一PI调节器用于将给定磁链与转子磁链ψ_r的差值Δψ_r进行PI调节得到励磁电流给定量

4.根据权利要求2所述的一种用于高压变频器的矢量控制系统，其特征在于：所述转速外环模块包括第二PI调节器，所述第二PI调节器用于将给定转速与辨识转速ω_r的差值Δω_r进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq。

5.根据权利要求2所述的一种用于高压变频器的矢量控制系统，其特征在于：所述电流内环模块包括交流预励磁控制模块、第三PI调节器以及第四PI调节器，交流预励磁控制模块用于根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量第四PI调节器用于将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq的差值Δi_sd进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三PI调节器用于将励磁电流给定量与励磁电流i_sd的差值Δi_sq进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量

6.一种应用所述权利要求1的高压变频器矢量控制系统的策略方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、用三相电压传感器采集高压变频器输出电压信号e_a、e_b、e_c，将输出电压信号e_a、e_b、e_c，通过第一计算模块等功率3s/2s变换至αβ坐标系得到e_α、e_β作为磁链观测、转速辨识的反馈量；

S2、用三相电流传感器采集高压变频器输出电流信号i_a、i_b、i_c，将输出电流信号i_a、i_b、i_c通过第一计算模块等功率3s/2s变换至αβ坐标系得到i_α、i_β作为磁链观测、转速辨识的反馈量；

S3、将αβ坐标系中的反馈量e_α、e_β、i_α、i_β通过磁链观测模块中电压电流混合型磁链观测模型处理后得到转子磁链ψ_r、αβ坐标系中的磁链分量以及相位角θ；

S4、以S3中的磁链分量和反馈量i_α、i_β，传输到转速辨识模块中并根据参考模型与可调模型的结果经自适应环节的调节得到辨识转速ω_r；

S5、第一PI调节器将给定磁链与转子磁链ψ_r的差值Δψ_r进行PI调节得到励磁电流给定量第二PI调节器将给定转速与辨识转速ω_r的差值Δω_r进行PI调节得到第一转矩电流给定量i′_sq；

S6、第二计算模块根据相位角θ将反馈量i_α、i_β进行2s/2r旋转坐标系的变换，得到励磁电流i_sd、转矩电流i_sq，交流预励磁控制模块根据第一转矩电流给定量i′_sq建立预励磁以输出第二转矩电流给定量第四PI调节器用于将第二转矩电流给定量与转矩电流i_sq的差值Δi_sd进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量第三PI调节器用于将励磁电流给定量与励磁电流i_sd的差值Δi_sq进行PI调节输出dq坐标系下的电压分量

S7、第三计算模块根据相位角θ将电压分量进行等功率2r/3s的dq坐标系到abc坐标系的变换，得到A、B、C三相调制波，所述移相式SPWM脉宽调制模块将三相调制波与移相载波进行整合生成PWM开关信号以控制高压变频器工作。