CN108233794B - 负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法 - Google Patents
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Abstract
负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法。目前常用的大功率同步电机制动方法采用能耗制动法时，将能量消耗在外接电阻上，外接功率电阻体积较大，占用面积大。本发明方法当电机转速较高时，利用LCI启动装置，采用回馈制动的方法，将电机的动能回馈到电网中的方法使电机快速停车；当电机转速较低时，采用能耗制动的方法，将能量消耗在电机绕组中，使电机快速停车。本发明方法完成停车所需时间更短，尤其适用于需要频繁启停的电气拖动场合。
Description
技术领域：
本发明涉及一种负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法。
背景技术：
负载换流逆变器(Load Communicated Inverter，简称LCI)是一种同步电机启动装置，晶闸管组成的相控整流桥将输入交流电整流成直流电，并提供可变的直流电压。直流母线上的平波电抗器Lm起到滤波和限流的作用，并为输出电流源型逆变器提供相对平滑的直流电流。输出逆变器通过同步电机的反电势(BEF)实现自然换流，从而达到变频启动的效果。典型的LCI驱动同步电机控制系统框图如图1的LCI驱动电励磁同步电机软起动基本结构图所示。在启动过程中接触器K1接通，接触器K2断开，通过LCI启动同步电机。启动完成后接触器K1断开，K2接通，电机挂网运行。
在大功率电气传动场合，由于电机转动惯量较大，自由停车需要较长时间 (>5min)，因此需要制动措施使电机快速停车。目前常用的大功率同步电机制动方法有：机械式制动和电气制动两种。机械式制动停车在驱动轴上加入抱紧刹车闸，利用机械磨损使电机快速停车。电气制动方式主要采用能耗制动法。能耗制动法可将其定子三相绕组接到外接电阻或频敏变阻器上。此时励磁绕组中仍然同有一定的励磁电流，同步电机相当于一台变速发电机。将能量消耗在外接电阻上，该方法的缺点是外接功率电阻体积较大，占用面积大。电机较低转速时(<50％额定转速)也可采用绕组短接法进行能耗制动，使电机快速停车，方法是：将三相绕组短接，此时需要调节励磁电流，使得定子绕组的短路电流不超过额定电流，将能量消耗在三相绕组中。该方法不需要额外占地面积，缺点是只能在电机较低转速时使用。
发明内容：
本发明的目的是提供一种负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法，所述的快速停车方法包括电机转速较高时和电机转速较低时这两种状态的快速停车方法，分别是：
当电机转速较高时，利用LCI启动装置，采用回馈制动的方法，将电机的动能回馈到电网中的方法使电机快速停车；
当电机转速较低时，采用能耗制动的方法，将能量消耗在电机绕组中，使电机快速停车。
有益效果：
本发明提出的快速停车法，不需要额外的设备及占地面积，能实现电机的快速停车，相比于自由停车和单独的能耗制动法具有更短的停车时间。同时，由于采用了回馈制动的方法，可以将部分电机动能回馈到电网，提高了驱动系统的整体效率。图6对本停车方法所需要的停车时间与其他停车方法的时间进行了简单比较，可以看出，本发明的停车方法停车时间更短，尤其适用于需要频繁启停的电气拖动场合。
附图说明：
附图1是本发明背景技术涉及的LCI驱动电励磁同步电机软起动基本结构图；
图2为停车流程图；
图3为负载换流逆变器电动运行状态时电压及电流方向；
图4为负载换流逆变器回馈制动时电压与电流方向；
图5为回馈制动过程中各阶段直流母线电流及转速波形；
图6为本专利采用的停车方法和其他停车方法比较；
图7为12+6脉动高-低-高拓扑结构图；
图8为停车过程各阶段转速、电机侧电压、电流波形图；
图9为回馈制动过程中网侧电压电流波形。
具体实施方式：
具体实施方式一：
本实施方式的负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法，所述的快速停车方法属于电气制动法，所述的快速停车方法包括电机转速较高时和电机转速较低时这两种状态的快速停车方法，分别是：
当电机转速较高时，利用LCI启动装置，采用回馈制动的方法，将电机的动能回馈到电网中的方法使电机快速停车；LCI的全称即为负载换流逆变器；
当电机转速较低时，采用能耗制动的方法，将能量消耗在电机绕组中，使电机快速停车。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法，当电机转速较高时，利用LCI启动装置，采用回馈制动的方法，将电机的动能回馈到电网中的方法使电机快速停车的过程为，电机转速较高的情况包括原本为转速较高和将转速为中速的电机的励磁电流增加后，提高电机端电压得到的转速较高，
首先，利用LCI启动装置时：
则LCI驱动装置工作在电动运行状态，此时各电压及电流方向如图3所示：整流器工作在“整流态”(触发角α<90°)，直流母线电压上正下负， Ud＝2.34U2cosα，直流母线电流
设电流Idc的方向从左向右；其中， RΣ为回路总阻抗；逆变桥在低速时采用断续换流法，高速时采用负载换流法，将电机软启动。
然后，电机进行回馈制动：
各电压电流方向如图4所示。整流桥工作在“有源逆变”态， Ud'＝-2.34U2cosβ，其中，U2为输入相电压有效值，β为逆变角，β＝π-α；逆变桥工作在整流态，E'＝-2.34UMcosα'，其中α'为逆变桥的整流触发角，α'<90°，UM为电机端电压有效值；忽略电机绕组阻抗，电机端电压UM近似和感应电势E0相等；此时的电流平均值仍用整流的公式
求得，此时的 Ud'和UM′均为负值，电流Idc方向不变，UM′的幅值要大于Ud'的幅值；
最后，控制回馈制动电流的大小：
由Idc公式得到，调节逆变桥的触发角α'、整流桥的逆变角β以及通过调节励磁电流控制UM；整流桥的逆变角β大于最小逆变角βmin＝δ+γ+θ′，其中δ为晶闸管的关断时间，γ为换相重叠角，θ′为安全裕度角；通常δ为4-5°，γ为 15-20°，θ′为10°；β的调节范围有限。同时β影响回馈制动时网侧的功率因数，电流基波与电压的相位差为逆变角β，因此可以将β取最小值为35°。当处于高转速时，调节逆变桥的触发角α'控制制动电流。
具体实施方式三：
与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法，所述的当电机转速较低时，采用能耗制动的方法，将能量消耗在电机绕组中，使电机快速停车的过程为，当电机处于中低转速时，采用能耗制动法快速停车，为避免在短接三相绕组时瞬时短路电流过大，首先，进行灭磁，使电机端电压降为0；然后再逐渐建立励磁，对短路电流进行闭环调节，调节制动转矩，使电机快速停车。
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式的负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法，其特征是:所述的电机转速较高时的转速为 1400-1600r/min；所述的电机转速较低时的转速为1-800r/min。
实施例1：
常见的12+6脉动高-低-高拓扑的负载换流逆变器启动装置结构图如图7所示，在启动过程中，在低转速时，K1接通，K2、K3断开，逆变器工作在断续换流状态，拖动同步电机启动。当电机启动到中低速时，K2接通，K1、K3断开，逆变器工作在负载换流状态，拖动电机达到同步转速。当电机达到准同期条件时，K3接通，K1、K2断开，电机挂网运行。以此结构为例，给出其快速停车全过程的控制方法及仿真实验波形。如图8所示的停车过程各阶段转速、电机侧电压、电流波形图，在刚从电网脱网运行时，K1、K3断开，K2接通，电机回馈制动，通过调节逆变桥的整流触发角调节回馈制动电流；当电机端电压不足以回馈制动时，可以将K1短接，K2开路，同时调节励磁电流，使电机感应电势不至于超过晶闸管耐压，继续利用电机感应电势进行回馈制动。当电机转速低于50％额定转速时，先进行灭磁操作，避免在对三相绕组进行短接操作时有冲击电流的产生；再逐渐增加励磁电流，对短路电流进行闭环调节。由于拓扑电网侧采用星/△变压器，因此具有较好的谐波特性，图9所示的回馈制动过程中网侧电压电流波形图给出了其进行回馈制动时网侧的电压电流波形，可以看出电流波形近似正弦。由于存在最小逆变角βmin，因此电流和电压并不是完全的反相，存在无功功率。
Claims (2)
1.一种负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法，其特征是:所述的快速停车方法包括电机转速较高时和电机转速较低时这两种状态的快速停车方法，分别是：
当电机转速较高时，利用LCI启动装置，采用回馈制动的方法，将电机的动能回馈到电网中使电机快速停车；电机转速较高的情况包括原本为转速较高的情况，和将转速为中速的电机的励磁电流增加后，提高电机端电压得到的转速较高的情况；其中，所述的LCI是指负载换流逆变器，英文全称Load Communicated Inverter，简称LCI，是一种同步电机启动装置；
当电机转速较低时，采用能耗制动的方法，将能量消耗在电机绕组中，使电机快速停车；
所述的当电机转速较高时，利用LCI启动装置，采用回馈制动的方法，将电机的动能回馈到电网中使电机快速停车的过程为，
首先，利用LCI启动装置时：
则LCI驱动装置工作在电动运行状态，此时：整流器工作在整流态，整流器的整流触发角α小于90°，直流母线电压上正下负，Ud＝2.34U2 cosα，直流母线电流
设电流Idc的方向从左向右；其中，RΣ为回路总阻抗；
然后，电机进行回馈制动：
整流桥工作在有源逆变态，Ud'＝-2.34U2 cosβ，其中，U2为输入相电压有效值，β为逆变角，β＝π-α；逆变桥工作在整流态，E'＝-2.34UM cosα'，其中α'为逆变桥的整流触发角，α'<90°，UM为电机端电压有效值；忽略电机绕组阻抗，电机端电压有效值UM和感应电势E0相等；此时的电流平均值仍用整流的公式
求得，此时的Ud'和UM’均为负值，电流Idc方向不变，UM’的幅值要大于Ud'的幅值；
最后，控制回馈制动电流的大小：
由Idc公式得到，调节逆变桥的触发角α'、整流桥的逆变角β以及通过调节励磁电流控制UM；整流桥的逆变角β大于最小逆变角βmin＝δ+γ+θ’，其中δ为晶闸管的关断时间，γ为换相重叠角，θ’为安全裕度角；δ为4-5°，γ为15-20°，θ’为10°；β取最小值为35°；当处于高转速时，调节逆变桥的触发角α'控制制动电流；
所述的电机转速较高时的转速为1400-1600r/min；所述的电机转速较低时的转速为1-800r/min。
2.根据权利要求1所述的负载换流逆变器驱动电励磁同步电机的快速停车方法，其特征是:所述的当电机转速较低时，采用能耗制动的方法，将能量消耗在电机绕组中，使电机快速停车的过程为，当电机处于中低转速时，采用能耗制动法快速停车，首先，进行灭磁，使电机端电压降为0；然后再逐渐建立励磁，对短路电流进行闭环调节，调节制动转矩，使电机快速停车。
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