CN109802600B - 一种工频逆变器启动电动机的方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工频逆变器启动电动机的方法及控制装置，包括：电动机启动过程中，限制工频逆变器的输出电压和输出电流，同时，控制工频逆变器输出电压与输出频率的比值小于等于预设的常数。本发明通过降压限流的方式控制较大的瞬时启动电流，同时控制工频逆变器输出电压与工频逆变器输出频率比值小于等于预设的常数，降压的同时降低频率，增大启动转矩，提高电动机带负载的能力；降频的同时又保证了工频变压器和电动机的磁通不会饱和，减小励磁电流。

Description

一种工频逆变器启动电动机的方法及控制装置

技术领域

本发明涉及电机及电力拖动技术领域，更具体涉及以工频逆变器输出为启动电源的电动机启动方法及控制装置。

背景技术

工频一般指市电的频率，在我国是50HZ，其他国家有的为60HZ。而可以改变这个频率交流电的电压的变压器称作工频变压器。采用工频变压器的逆变器即为工频逆变器。

如图1所示，是以工频逆变器输出为启动电源的电动机的启动控制电路的拓扑结构图，所述以工频逆变器输出为启动电源的电动机的启动控制电路包括蓄电池组、工频逆变器和异步电动机，工频逆变器包括逆变电路和工频变压器，所述逆变电路的输入端连接蓄电池组，蓄电池组两端并联连接电容，所述逆变电路的输出端连接所述工频逆变器的输入端，工频变压器的输出端分别连接异步电动机的三相定子绕组，逆变电路的A相桥臂为串联的开关管V1和V4，逆变电路的B相桥臂为串联的开关管V3和V6，逆变电路的C相桥臂为串联的开关管V5和V2，开关管V1、开关管V3以及开关管V5的漏极连接并且接到蓄电池组的正极，开关管V4、开关管V6以及开关管V2的源极连接并且接到蓄电池组的负极，逆变电路将蓄电池组的直流电转化成三相交流电，并经工频变压器隔离升压后，为异步电动机提供启动电能。

工频变压器为电动机提供启动电能，由于电机拖动系统在启动过程中既要求有足够大的启动转矩，使其尽快达到正常运行状态，又要求启动电流不能太大，以免引起电源电压下降，影响其它电气设备的正常工作。现有技术中，一般通过降压启动来限制较大的启动电流。但是，在降压的同时，启动转矩也会减小。因此，对于负载转矩较大(例如等于额定转矩)的拖动系统，不能满足启动要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术的工频逆变器启动电动机主要通过降压启动来限制较大的启动电流易导致启动转矩减小，不能满足启动要求的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种工频逆变器启动电动机的方法，包括：电动机启动过程中，限制工频逆变器的输出电压和输出电流，同时，控制工频逆变器输出电压与输出频率的比值小于等于预设的常数。

由异步电动机的机械特性可知，工频逆变器为异步电机提供启动电能，限制工频逆变器的输出电压和输出电流即限制异步电动机的启动电压和启动电流，控制工频逆变器输出电压与输出频率即控制异步电机的启动电压和电源频率；异步电动机启动电流与启动电压成正比，降低启动电压可以相应地限制启动电流，从而保证工频逆变器和异步电动机的安全；但是，异步电动机的启动转矩与启动电压的平方成正比，降低启动电压的同时导致了启动转矩减小；为了尽快启动系统，电动机需要运行在较高的启动转矩下，且保持恒转矩运行；已知降低电源频率有利于增加启动转矩，但是要保持恒转矩运行，必须保持电机主磁通不变。所以，降低电源频率的同时必须降低启动电压，才能保持电机主磁通基本不变。

优选的，所述预设的常数等于工频逆变器输出的额定电压与额定频率的比值，或者所述预设的常数等于异步电动机的额定电压与额定频率的比值。

优选的，所述限制工频逆变器的输出电压和输出电流，包括以下步骤：

步骤31：将工频逆变器的输出电流与预设的最大电流值进行比较；

步骤32：对步骤31中的比较结果(工频逆变器的输出电流与预设的最大电流值的差值)经过限幅后与预设的电压指令值叠加；

步骤33：叠加后的值与工频逆变器输出电压进行比较；

步骤34：对步骤33中的比较结果进行偏差调节；

步骤35：对偏差调节后的输出进行调制以生成开关管控制信号。

进一步地，所述步骤31包括：将工频逆变器输出电流的峰值与预设的最大峰值电流进行比较，或者，将工频逆变器输出电流进行Clark变换后以α轴、β轴的分量分别与预设的最大峰值电流进行比较，或者，将工频逆变器输出电流进行Park变换后以q轴的分量与预设的最大q轴电流进行比较，或者，将工频逆变器输出电流的平均值与预设的最大均值电流进行比较。

进一步地，所述步骤33包括：将叠加后的值与工频逆变器输出电压的峰值进行比较，或者，将叠加后的值与工频逆变器输出电压的平均值进行比较，或者，将叠加后的值与工频逆变器输出电压进行Clark变换后α轴、β轴的分量进行比较，或者，将叠加后的值与工频逆变器输出电压进行Park变换后q轴的分量进行比较。

进一步地，所述步骤34中，所述偏差调节为PI调节或PID调节。

优选的，所述电动机启动过程中还包括过载控制，所述过载控制是根据工频逆变器输出电流值与预设的过载电流参考值的偏差值，控制过载保护的时间。

进一步地，所述过载控制包括以下步骤：

步骤一：运行过载控制程序，等待预设的时间间隔；

步骤二：预设的时间间隔结束后，判断工频逆变器负载电流值是否大于预设的过载电流参考值，若是，则进入步骤三，若否，则进入步骤七；

步骤三：以工频逆变器负载电流值减去所述过载电流参考值作为时基；

步骤四：过载时间从0开始，并以时基与预设调节系数的乘积为步长进行累加；

步骤五：判断过载时间是否超过预设的过载时间参考值，若是，则进入步骤六，若否，则返回步骤一；

步骤六：触发过载保护，返回步骤一；

步骤七：令时基为0；

步骤八：令过载时间为0，返回步骤一。

本发明还提供一种工频逆变器启动电动机控制装置，包括：压频比控制模块，用于控制工频逆变器输出电压与输出频率的比值小于等于预设的常数；第一比较模块，用于将工频逆变器输出电流与预设的最大电流值进行比较；限幅模块，用于对所述第一比较模块输出的结果进行限幅；叠加模块，用于将所述限幅模块输出的结果与预设的电压指令值进行叠加；第二比较模块，用于将所述叠加模块的输出与所述压频比控制模块输出的电压进行比较；偏差调节模块，用于对所述第二比较模块的输出进行偏差调节；调制模块，用于对所述偏差调节模块的输出进行调制以生成工频逆变器开关管的控制信号。

进一步地，所述控制装置还包括：A/D采样模块，用于对工频逆变器的输出电压和输出电流进行采样；坐标变换模块，用于对A/D采样模块输出的电流和电压进行坐标变换。

进一步地，所述坐标变换模块包括：Clark变换单元，用于将所述A/D采样模块输出的电流或电压数据转换至两相静止坐标下；Park变换单元，用于将所述Clark变换单元的输出的两相静止坐标系下的电流或电压数据变换至Park系下。

优选的，所述偏差调节模块为PID控制器或PI控制器。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)电动机启动过程中，通过降低工频逆变器输出电压的方式控制较大的瞬时启动电流，同时，控制工频逆变器输出电压与工频逆变器输出频率的比值小于等于预设的常数，也即，降压的同时降低频率，增大了启动转矩，提高电动机带负载的能力，满足电机启动要求，同时又保证了工频变压器和电动机的磁通不会饱和，减小励磁电流；

(2)启动电动机的过程中及启动后均进行过载保护控制，负载电流超限时会触发过载保护逻辑，以保护工频逆变器和电动机不受损害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的以工频逆变器输出作为启动电源的电动机启动控制电路的拓扑结构图；

图2是本发明实施例所公开的工频逆变器启动电动机的方法的控制框图；

图3是本发明实施例所公开的工频逆变器启动电动机的方法于一具体实施例中的控制框图；

图4是本发明实施例所公开的工频逆变器启动电动机的方法中过载控制的流程图；

图5是本发明实施例所公开的工频逆变器启动电动机的控制装置的框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种工频逆变器启动电动机的方法，应用于以工频逆变器输出为启动电源的电动机的启动控制电路，如图2所示，为本发明实施例所公开的一种工频逆变器启动电动机方法的控制框图，电动机启动过程中，通过压频比控制模块6控制工频逆变器的输出电压u与输出频率f的比值小于等于预设的常数c，其中，预设的常数c等于工频逆变器输出的额定电压与额定频率的比值，或者预设的常数c等于电动机的额定电压与额定频率的比值。

另外，同时电动机启动过程中还要限制工频逆变器的输出电压u和输出电流i，限制工频逆变器的输出电压u和输出电流i，包括以下步骤：

步骤31：采样工频逆变器的输出电流i，将工频逆变器的输出电流i与预设的最大电流值I_max输入第一比较器1进行比较；

步骤32：对步骤31中的第一比较器1输出的比较结果经过第一限幅器2后与预设的电压指令值u_ref一同输入加法器3进行叠加；

步骤33：加法器3输出的叠加后的值与压频比控制模块6的输出电压u₁一同输入第二比较器4进行比较；

步骤34：对步骤33中的第二比较器4输出的比较结果输入第一偏差调节器5进行偏差调节，所述偏差调节为PI(proportional integral，比例积分)调节或PID(ProportionalIntegral Differentiation，比例积分微分)调节；本发明实施例中为PI调节，即所述第一偏差调节器5为PI调节器。

步骤35：将偏差调节后的输出结果输入至第一SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉宽调制)调制器(图未示)进行调制以生成开关管控制信号。

具体的，所述步骤31包括：将工频逆变器输出电流i的峰值与预设的最大峰值电流进行比较，或者，将工频逆变器输出电流i进行Clark(克拉克)变换后以α轴、β轴的分量分别与预设的最大峰值电流进行比较，或者，将工频逆变器输出电流i进行Park(帕克)变换后以q轴的分量与预设的最大q轴电流进行比较，或者，将工频逆变器输出电流i的平均值与预设的最大均值电流进行比较。

在步骤33中，压频比控制模块6的输出电压u₁是工频逆变器的输出电压u经过压频比控制而输出的电压，压频比控制模块6的输出电压u₁可以是工频逆变器输出电压u的峰值、平均值、或者进行Clark变换后α轴、β轴的分量、或者进行旋转坐标变换后q轴的分量中的任一种。

需要解释的是，Clark变换和Park变换是为了方便对电动机矢量控制或直接转矩控制进行分析和计算，而产生的坐标变换的方法。Clark变换是指将三相静止的abc坐标系中的变量变换到两相静止的α-β坐标系中。Park变换是指将两相静止的α-β坐标系中的变量变换到两项旋转的d-q坐标系中。

上述一种工频逆变器启动电动机的方法的工作原理为：由异步电动机的机械特性可知，异步电动机启动电流与启动电压成正比，降低启动电压可以相应地限制启动电流，从而保证工频逆变器和异步电动机的安全；但是，异步电动机的启动转矩与启动电压的平方成正比，降低启动电压的同时导致了启动转矩减小；为了尽快启动系统，电动机需要运行在较高的启动转矩下，且保持恒转矩运行；已知降低电源频率有利于增加启动转矩，但是要保持恒转矩运行，首先要保持电机主磁通不变。

三相异步电机每相电压满足：U₁≈E₁＝4.44f₁Nk_w1Φ_m，其中，U₁为电机每相电压，E₁为电源电压，f₁为电源频率，N为每相绕组串联匝数，k_w1为绕组的基波绕组系数，Φ_m为电机主磁通。异步电机的电源电压E₁即电机每相电压U₁即工频逆变器的输出电压u也即异步电机的启动电压，在降低电源频率f₁时，若保持电源电压E₁为额定值不变，则随着电源频率f₁下降，气隙每极磁通必然增加。由于电机在额定状态下就开始进入饱和状态，若增加磁通量，则电机磁路饱和将会加剧，励磁电流会急剧增加。因此，降低电源频率f₁的同时必须降低电源电压E₁，才能保持电机主磁通Φ_m基本不变。

鉴于以上分析，为了保证主磁通Φ_m稳定且不超过最大值，以防止工频变压器和电动机的磁通饱和。电动机降压限流启动的同时，还需控制作为电源的工频逆变器输出电压u与输出频率f的比值小于等于预设的常数，工频逆变器输出频率f即电源频率f₁。

当降低电源频率f₁时，同时降低电源电压E₁(即电机每相电压U₁)，保持电源电压/电源频率＝常数，则电机主磁通≈常数。这时电动机的最大转矩满足：

其中，T_m为电动机的最大电磁转矩，p为电动机极对数，f₁为电源频率，U₁为电机每相电压，R₁为定子电阻，X_1σ为定子漏抗，X'_2σ为转子归算漏抗。

由上式可见，保持U₁/f₁为常数，在电源频率f₁接近电源额定频率f_1N时，R₁＜＜X_1σ+X'_2σ，可忽略定子电阻R₁。由于X_1σ+X'_2σ与f₁成正比变化，因此最大转矩T_m基本不变。满足了尽快启动电机系统的条件即电动机需要运行在较高的转矩下，且保持恒转矩运行。

图3为一具体实施例中电动机降压限流启动的控制框图，如图3所示，控制步骤包括：

采样工频逆变器三相电压u_a、u_b、u_c和三相电流i_a、i_b、i_c，并将三相电压u_a、u_b、u_c经第一Clark变换单元7后再经过第一Park变换单元8，结合逆变电路15输出相位角θ输入第一Park变换单元8，进行坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电压，即得到启动过程中电动机的实时电压的无功分量u_d和有功分量u_q；将三相电流i_a、i_b、i_c经第二Clark变换单元9后再经过第二Park变换单元10，结合逆变电路15输出相位角θ输入第二Park变换单元10，进行坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流，即得到启动过程中电动机的实时电流的无功分量i_d和有功分量i_q；将电动机的实时电流的有功分量i_q与最大允许电流i_qref输入第一比较器1进行比较，并将比较结果经过第一限幅器2限幅后再前向反馈到q轴电压指令u_qref上；将q轴电压指令u_qref通过加法器3输入第二比较器4，电动机的实时电压的有功分量u_q输入第二比较器4与q轴电压指令u_qref进行比较，并将比较结果输入第一偏差调节器5进行PI调节，得到参考电压u^* _q。

令工频逆变器实时输出电流的无功分量i_d的指令值i_dref为0，其与实时电流的无功分量i_d一同输入第三比较器11输出的比较结果为两者的差值，该差值输入第二偏差调节器12得到参考电压u^* _d。将逆变电路15输出相位角θ、参考电压u*_q、参考电压u^* _d输入Park反变换单元13，结合逆变电路15输出相位角θ对参考电压u^* _q、参考电压u^* _d进行Park反变换。这里，Park反变换是指Park变换的逆过程，也即将两相旋转坐标系下的电压转换到两相静止坐标系下，最终得到电压信号V_α和电压信号V_β，再经第二SVPWM调制器14得到逆变电路15开关管的控制信号，将该控制信号输入逆变电路15以控制其开关管的通断。

电动机启动过程中，当q轴电流的有功分量i_q超过最大允许电流i_qref时，前馈分量会迅速削弱q轴的参考电压指令，进而控制q轴电流减小，实现过流保护。

同时，电动机启动过程中，控制工频逆变器输出频率f始终满足：

且

其中，c为常数，u_q为工频逆变器实时电压的有功分量，f为工频逆变器输出的频率，u_qref为q轴电压指令，f₀为电动机的额定频率。随着启动过程的进行，电动机定子的电压及频率都在逐步上升，最后一起达到稳定值，也即电动机定子的电压及频率分别达到额定电压及额定频率，电动机启动完成。当接收到启动电动机的指令后，根据工频逆变器输出电压判断启动是否完成。若工频逆变器输出电压小于额定电压，说明电动机启动未完成；若电动机启动超时，则工频逆变器停止逆变，等待当前控制周期结束后，再次启动工频逆变器，并进行电动机的变频启动控制。

具体的，由逆变电路15输出频率f经过积分单元(图未示)可得到逆变电路15输出相位角θ。而在电动机降压限流启动控制过程中，逆变电路15输出电流和电压需要结合逆变电路15输出相位角θ进行旋转坐标变换，分别计算得到逆变电路15输出电流的q轴分量i_q和输出电压的q轴分量u_q。

如图4所示，电动机启动过程中还包括过载控制，当负载电流值超过预设的过载电流参考值一定时间时，执行过载保护动作，并根据工频逆变器输出电流i的值与预设的过载电流参考值的偏差值，控制过载保护的时间。

具体的过载控制包括以下步骤：

步骤S1：运行过载控制程序，等待预设的时间间隔1s；

步骤S2：预设的时间间隔1s结束后，判断工频逆变器负载电流值是否大于预设的过载电流参考值100A，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S7；

步骤S3：以工频逆变器负载电流值减去过载电流参考值100A作为时基；

步骤S4：过载时间从0开始，并以时基与预设调节系数p的乘积为步长进行累加；

步骤S5：判断过载时间是否超过预设的过载时间参考值60s，若是，则进入步骤S6，若否，则返回步骤S1；

步骤S6：触发过载保护，返回步骤S1；

步骤S7：令时基为0；

步骤S8：令过载时间为0，返回步骤S1。

如图5所示，本发明实施例还提供一种工频逆变器启动电动机的控制装置，控制装置包括：压频比控制模块，用于控制工频逆变器输出电压与输出频率的比值小于等于预设的常数；第一比较模块，用于将工频逆变器输出电流与预设的最大电流值进行比较；限幅模块，其输入端连接第一比较模块的输出端，用于对第一比较模块输出的结果进行限幅；叠加模块，其输入端连接限幅模块的输出端，用于将限幅模块输出的结果与预设的电压指令值进行叠加；第二比较模块，其输入端连接叠加模块与压频比控制模块的输出端，用于将叠加模块的输出与压频比控制模块输出的电压进行比较；偏差调节模块，其输入端连接第二比较模块的输出端，用于对第二比较模块的输出结果进行偏差调节；调制模块，其输入端连接偏差调节模块的输出端，用于对偏差调节模块的输出进行调制以生成工频逆变器开关管的控制信号。

具体的，偏差调节模块为PID控制器或PI控制器，用于对所述第二比较模块的比较结果进行PI调节或PID调节。

作为本发明的优选方案，控制装置还包括：A/D采样模块，用于对工频逆变器的输出电压和电流进行采样；坐标变换模块，其输入端连接A/D采样模块的输出端，用于对采样模块输出的电流和电压进行坐标变换。

具体的，坐标变换模块包括：Clark变换单元(图未示)，其输入端连接A/D采样模块的输出端，用于将A/D采样模块输出的电流或电压数据转换至两相静止坐标下；Park变换单元(图未示)，其输入端连接Clark变换单元输出端，用于将Clark变换单元输出的两相静止坐标系下的数据变换至两相旋转坐标系下，Park变换单元的输出端与第一比较模块的输入端连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种工频逆变器启动电动机的方法，其特征在于，包括：电动机启动过程中，限制工频逆变器的输出电压和输出电流，同时，控制工频逆变器输出电压与输出频率的比值小于等于预设的常数；所述限制工频逆变器的输出电压和输出电流，包括以下步骤：

步骤31：将工频逆变器的输出电流与预设的最大电流值进行比较；

步骤32：对步骤31中的比较结果经过限幅后与预设的电压指令值叠加；

步骤33：叠加后的值与工频逆变器输出电压进行比较；

步骤34：对步骤33中的比较结果进行偏差调节；

步骤35：对偏差调节后的输出进行调制以生成开关管控制信号。

2.根据权利要求1所述的工频逆变器启动电动机的方法，其特征在于，所述预设的常数等于工频逆变器输出的额定电压与额定频率的比值，或者所述预设的常数等于异步电动机的额定电压与额定频率的比值。

3.根据权利要求1所述的工频逆变器启动电动机的方法，其特征在于，所述步骤31包括：

将工频逆变器输出电流的峰值与预设的最大峰值电流进行比较，或者，

将工频逆变器输出电流进行Clark变换后以α轴、β轴的分量分别与预设的最大峰值电流进行比较，或者，

将工频逆变器输出电流进行Park变换后以q轴的分量与预设的最大q轴电流进行比较，或者，

将工频逆变器输出电流的平均值与预设的最大均值电流进行比较。

4.根据权利要求1所述的工频逆变器启动电动机的方法，其特征在于，所述步骤33包括：

将叠加后的值与工频逆变器输出电压的峰值进行比较，或者，

将叠加后的值与工频逆变器输出电压的平均值进行比较，或者，

将叠加后的值与工频逆变器输出电压进行Clark变换后α轴、β轴的分量进行比较，或者，

将叠加后的值与工频逆变器输出电压进行Park变换后q轴的分量进行比较。

5.根据权利要求1所述的工频逆变器启动电动机的方法，其特征在于，所述步骤34中，所述偏差调节为PI调节或PID调节。

6.根据权利要求1-5任一项所述的工频逆变器启动电动机的方法，其特征在于，所述电动机启动过程中还包括过载控制，所述过载控制是根据工频逆变器输出电流值与预设的过载电流参考值的偏差值，控制过载保护的时间。

7.根据权利要求6所述的工频逆变器启动电动机的方法，其特征在于，所述过载控制包括以下步骤：

步骤一：运行过载控制程序，等待预设的时间间隔；

步骤二：预设的时间间隔结束后，判断工频逆变器负载电流值是否大于预设的过载电流参考值，若是，则进入步骤三，若否，则进入步骤七；

步骤三：以工频逆变器负载电流值减去所述过载电流参考值作为时基；

步骤四：过载时间从0开始，并以时基与预设调节系数的乘积为步长进行累加；

步骤五：判断过载时间是否超过预设的过载时间参考值，若是，则进入步骤六，若否，则返回步骤一；

步骤六：触发过载保护，返回步骤一；

步骤七：令时基为0；

步骤八：令过载时间为0，返回步骤一。

8.一种工频逆变器启动电动机的控制装置，其特征在于，包括：

压频比控制模块，用于控制工频逆变器输出电压与输出频率的比值小于等于预设的常数；

第一比较模块，用于将工频逆变器输出电流与预设的最大电流值进行比较；

限幅模块，用于对所述第一比较模块输出的结果进行限幅；

叠加模块，用于将所述限幅模块输出的结果与预设的电压指令值进行叠加；

第二比较模块，用于将所述叠加模块的输出与所述压频比控制模块输出的电压进行比较；

偏差调节模块，用于对所述第二比较模块的输出进行偏差调节；

调制模块，用于对所述偏差调节模块的输出进行调制以生成工频逆变器开关管的控制信号。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，还包括：

A/D采样模块，用于对工频逆变器的输出电压和输出电流进行采样；

坐标变换模块，用于对A/D采样模块输出的电流和电压进行坐标变换。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述坐标变换模块包括：

Clark变换单元，用于将所述A/D采样模块输出的电流或电压数据转换至两相静止坐标下；

Park变换单元，用于将所述Clark变换单元的输出的两相静止坐标系下的电流或电压数据变换至Park系下。

11.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述偏差调节模块为PID控制器或PI控制器。

Images