CN110601625A - 反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法及控制器，应用于反应堆关键阀门电机的低电压穿越，针对传统反应堆阀门控制方式在电网电压出现跌落情况下开关阀动作变慢，无法满足系统安全性要求的问题，提出了一种采用电压闭环反馈弱磁补偿的阀门电机低电压穿越方法及控制器，理论分析和实验均表明，相比于传统的阀门电机控制方式有着明显的优势，能够在电压跌落的情况下稳定阀门电机转速，实现反应堆关键阀门电机低电压穿越。

Description

反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法及控制器

技术领域

本发明涉及反应堆关键电动阀门电机控制领域，具体地，涉及反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法及控制器。

背景技术

传统的阀门电机采用全压直接启动并运行的方式，运行方式在理想工况下往往能够满足设计中对于开关阀速度的要求。但反应堆供电系统是一个特殊的系统，尤其是安全相关的关键阀门往往需要在应急状态下进行动作，在这种状态下，整个反应堆供电系统处在孤岛运行状况下。此时电网很容易出现短时间内的供电电压波动，这种供电电压波动，尤其是电压的突然下降，会使得阀门电机运行速度出现大幅度跌落，使得阀门开关阀动作时间延长，使得反应堆安全性下降。

发明内容

本发明提出了一种反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法及控制器，针对传统阀门电机控制系统中存在的在电网波动情况下无法有效执行开关阀动作提出了新的解决方案。

本发明阀门电机控制中采用电压反馈补偿弱磁控制控制策略，即在传统控制中的弱磁曲线上，叠加相应的电压补偿量。在阀门电机运行过程中，对电机磁链继续动态补偿，当电网电压出现短时间跌落，母线电压值不足以维持当前转速的情况下，动态判断进入弱磁状态，磁链补偿控制策略通过使用电压给定值与限制电压值的比较来产生励磁电流的给定值，以消除电压跌落对于阀门电机转速的影响。

由于电网电压大小的限制，以及电机驱动器中主要驱动器件电压电流的限制，使得阀门电机在运行过程中转速总存在一个限值，无法继续提高，而当电网电压下降时，这一转速限值也随之下降，这就是阀门电机转速性能迅速下降的直接原因，同时阀门电机中磁路饱和、温升和绝缘等问题也限值了电机转速的提高。那么为了在电压下降的情况下仍然保证电机转速不发生跌落，就需要在满足电压与电流约束条件的前提下，对阀门电机进行弱磁控制。

本发明阀门电机控制中采用电压反馈补偿弱磁控制控制策略。在传统的弱磁控制方式中，电机运行在基速以上时，转子磁链按照基速与当前速度的比值按比例进行减少，形成弱磁控制曲线，而本发明中在这一弱磁控制曲线上进一步叠加相应的电压补偿量。在阀门电机运行过程中，对电机磁链持续动态补偿，以实现阀门电机的低电压穿越，在规定时间内完成开关阀动作，本发明设计的电压闭环补偿控制策略如式(1)所示，式中Ψ_r为当前磁链给定值，Ψ_rb为初始状态给定的额定磁链值，ω_b为运行基速角频率，ω_r为电机当前运行角频率。

阀门电机在正常运行过程中，电机运行速度并没有达到电压极限圆，输出电压值与电压极限圆差值为正值，调节器没有补偿作用，磁链给定值仍然保持在额定值，能够有效利用阀门电机的负载驱动能力。

本发明一方面提供了一种反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法，另一方面，本发明还提供了一种反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制器，所述控制器包括：

单片机控制器、主功率电路和检测与起动电路；

单片机控制器用于执行阀门电机低电压穿越算法的运算，包括：电压补偿量计算，弱磁曲线的运算，在接收到检测与起动电路母线电压波动的信号时，实现电压补偿量的动态计算与弱磁控制，同时接收检测电路送来的阀门电机运行电压与电流反馈信号向主功率电路输出电机电压与电流控制信号；

主功率电路用于实现电力电子变换功能，接收单片机控制器的控制信号，对阀门电机绕组电压与电流进行直接控制，直接实现低电压穿越的功能；

检测与起动电路用于对阀门电机电压与电流信号、阀门电机位置信号进行采样与转换，同时监测母线电压值的波动，并将信号送至单片机控制器用于电机低电压穿越算法的运算，同时用于实现阀门电机起动时的换相功能；

功率主电路包括主电路与保护电路，主电路用于实现电力电子变换功能，直接对阀门电机电压与电流进行控制；保护电路用于对主电路出现的短路、过流与缺相故障进行保护。

进一步的，所述控制器采用电压闭环补偿控制策略对阀门电机磁链进行持续动态补偿，电压闭环补偿控制策略如式(1)所示，式中：Ψ_r为当前磁链给定值，Ψ_rb为初始状态给定的额定磁链值，ω_b为运行基速角频率，ω_r为电机当前运行角频率；

阀门电机在正常运行过程中，阀门电机运行速度没有达到电压极限圆，输出电压值与电压极限圆差值为正值，电压补偿调节器没有补偿作用，磁链给定值保持在额定值。

进一步的，检测与起动电路包括位置检测电路、信号采样电路和接口电路；位置检测电路用于对阀门电机位置信号进行检测；信号采样电路用于对阀门电机电压与电流信号进行采样与处理，同时监测母线电压的波动值，使电压与电流信号能够送至单片机控制器；接口电路用于实现调试过程中人机交互功能与控制器内部信号输出与观察。

进一步的，检测电路中的电流检测模块采用霍尔器件检测，在U相、V相进行电流采样，对采样回来的信号进行偏移和放大，使用LM358搭建偏移和放大电路，并在采样之前对电流采样零值进行校准，加入采样偏移量以消除采样偏移带来的影响。

进一步的，当阀门电机母线电压出现跌落时，阀门电机的基速ω_b下降，阀门电机运行进入弱磁区，将经过计算得到的电压幅值与测量得到的电压极限圆值进行比较，通过电压补偿调节器输出补偿量，并与弱磁曲线进行叠加合成，通过补偿量将一部分电机d轴电压量分配给q轴进行控制。

进一步的，电压补偿调节器采用积分环节，电压补偿调节器积分系数如式(5)所示：

其中σ为漏磁系数，L_s为定子电感，L_r为转子电感，L_m为气隙电感，ω_e为电动阀门电机同步角频率，R_r为阀门电机转子电阻。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

针对反应堆关键阀门电机的工作特点，本发明提出了一套完整的阀门电机低电压穿越控制方法及控制器，通过电压反馈补偿控制器，在电压出现跌落的时候，对阀门电机进行电压补偿弱磁控制，实现阀门电机低电压穿越，在整个低电压时间内，转速跌落很小，使得阀门在低电压情况下能够在规定时间内完成开关阀动作，保证反应堆运行安全。实验结果与理论分析相吻合，均证明了该方案的有效性，能够有效实现阀门电机低电压穿越的功能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中控制器的电路总体设计示意图；

图2是本申请中磁链补偿控制框图；

图3是本申请中磁链补偿控制器示意图；

图4a是传统控制方式下2950rpm紧急关阀过程中母线电压跌落时转矩变化示意图；

图4b是低电压穿越技术控制方式下2950rpm紧急关阀过程中母线电压跌落时转矩变化示意图；

图5a是传统控制方式下电压跌落时转速变化示意图；

图5b是低电压穿越技术控制方式电压跌落时转速变化示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明所要解决的技术问题是提供一种全新的阀门电机低电压穿越控制方法及控制器，当电网电压出现短时间跌落，母线电压值不足以维持当前转速的情况下，动态判断进入弱磁状态，磁链补偿控制策略通过使用电压给定值与限制电压值的比较来产生励磁电流的给定值，以消除电压跌落对于阀门电机转速的影响。

本发明设计的阀门电机低电压穿越控制器硬件电路主要是由单片机控制器、主功率电路和检测与起动电路组成。其拓扑结构如图1示，功率主电路包括主电路与保护电路。检测与起动电路主要包括位置检测电路、型号采样电路和接口电路。

本发明控制器使用XMC4200为控制核心，其架构采用ARM Cortex-M4处理器。XMC4200在电机控制、功率变换、工业连接和检测及控制应用。其片上搭载的CCU8和CCU4单元直接用来产生电机控制所需的PWM信号。驱动板采用直流母线直接供电，根据所选用感应电机的额定电压400V母线电压，同时输出的400V还用来作为控制电路电源的输入。控制板中所需电源有±15V和5V电压，均由400V通过电源转换得到。采样得到的母线电压、三相电流等信号经处理电路后直接送入XMC4200的A/D转换模块。单片机的感应通信模块UART可以实现与上位机的串口通信。同时还可通过D/A模块直接输出波形进行观察，本发明电路拓扑结构如图1所示。

本发明采用直流母线直接接入的形式，同时母线电压还作为控制电路电源±15V和5V的直流输入。两相电流采样电路中使用芯片LM358进行信号的处理，使用5V电源供电，所使用的单端反激式相比于其他开关电源类型，成本比较低，同时电压和输出功率的调节也非常的方便，能够实现从几十到几百瓦的设计方案。开关电源选用控制芯片为英飞凌ICE3A0565，其开关频率为100kHz，额定功率25W。

桥式电路使用六片IR2117芯片，分别对三个桥臂进行控制，其工作母线电压最高可达600V。根据实际阀门控制中使用的电机参数，可采用不同的分布式元件拓扑，本发明使用的主电路设计额定电流可达300A，故采用分离原件并联的形式，多个MOS管公用一路驱动信号。同时主功率电路部分为了保护电路安全，设计了欠压过压，以及过流硬件保护电路，能够在发生故障的情况下封锁PWM输出。

电流检测模块采用霍尔器件检测，在U相、V相进行电流采样，霍尔器件采样的电流信号由于存在正负，因此霍尔器件直接输出的信号也存在正负值，而XMC4200的A/D模块只能对5V以内的模拟信号进行转换，因此需要对采样回来的信号进行偏移和放大，使两相电流采样信号转化为0-5V电压信号。使用LM358搭建偏移和放大电路，由于LM358的存在一定的变化误差，同时两路放大电阻的阻值存在差异，无法完全对称，故不存在电流时，返回的采样电压信号不是准确的2.5V，可能会在2.5V周围变化，这需要在采样之前对电流采样零值进行校准，人为在程序中加入采样偏移量以消除采样偏移带来的影响。

当母线电压突然出现跌落时，阀门电机的基速ω_b迅速下降，使得当前电压值已经无法维持阀门电机当前转速的运行，阀门电机运行进入弱磁区，此时将经过计算得到的电压幅值与测量得到的电压极限圆值进行比较，通过电压补偿调节器输出补偿量，并与传统弱磁曲线进行叠加合成，由于电压跌落的影响，计算得到的电压赋值总是会大于电压极限圆，故输出补偿量永远为负值，进一步减小给定磁链的值。通过这一补偿量将一部分电机d轴电压量分配给q轴进行控制，从而能够使得阀门电机转速稳定在额定转速附近，不会出现大幅度的转速波动。

由于补偿控制器位于反馈回路，为了避免在补偿过程中出现代数环，所以补偿器采用积分环节。请参考图2，图2中ψ_ref为磁链参考给定值，Δψ为磁链反馈值，ψ^*为磁链给定值，G(p)＝k/s为磁链补偿环节，u_max为器件可输出最大电压矢量的大小，|u|为经过运算后当前所需的电压矢量的大小。

积分环节中最重要的就是积分比例系数，下面对比例系数公式进行推导。

由于q轴电压远大于d轴电压，所以在求解过程中对磁链补偿控制器进行化简，将弱磁补偿控制器框图化简为如图3所示。其中L_s为定子电感，其中L_r为转子电感，L_m为气隙电感。

由于磁链等于电压的积分，令Δψ＝G(p)(u_max-|u|)，其中，G(p)＝k/s，在此设磁链补偿值为ψ_c，可得稳态时磁链变化为ψ＝Δψ_c+ψ_ref，则：

其中L_m为气隙电感，ω_e为电机同步角频率。

将Δψ＝G(p)(u_max-|u|)带入式(3)中可得：

得到控制器的时间常数为

时间常数的大小在很大程度上影响着系统的性能，时间常数越小代表着系统的动态性能越好，但是越小的积分常数代表着越大的积分常数，积分常数的增大可能会给系统带来震荡，甚至出现无法收敛的震荡，使得整个控制系统失效。所以本发明选取时间常数与磁链时间常数相等，故得到补偿器积分系数如式(5)所示。

其中σ为漏磁系数。

如图4a-b所示，仿真过程中，在0.5s时加入15％的母线电压跌落，并一直持续500ms，同时为了有效模拟阀门紧急关阀过程中对于负载适应性的要求，在电压开始跌落的瞬间同时施加一个40N·m的关阀负载转矩。从图4a)中可以看出，传统控制方式在出现电压跌落时，电机输出转矩无法跟随负载转矩，转矩的减小是导致电机转速迅速下降的最直接原因。而图4b)中采用电压补偿的弱磁算法来实现阀门电机低电压穿越，由于弱磁区域控制的存在，使得输出转矩能够有效更随给定，能够保证整个关阀过程中阀门电机转速的稳定。

阀门电机低电压穿越控制器硬件实验平台所使用的阀门电机参数如表1所示。

表1实验用感应电机参数

在实验中手动对阀门电机驱动实验平台的输入电压进行调节，用来模拟阀门电机开关阀动作过程中出现的母线电压跌落，母线电压跌落值为60V，约为母线总电压的15％，由于实际电源跌落时间控制存在一定偏差，跌落时间控制无法像仿真一样做到非常精确，电压跌落时间约为300ms。同时在模拟的阀门电机动作过程中施加20N·m的负载转矩来模拟阀门电机动作中的负载情况。

从图5a中可以看出当母线电压出现跌落的瞬间，转速也出现大幅度跌落，从2900rpm迅速跌至2500rpm左右，指导母线电压恢复到正常值时，才能有效跟随给定值，在低电压时间内阀门电机转速均大幅低于额定转速。

采用低电压穿越技术控制算法后，如图5b所示，在电压出现跌落的瞬间，转速跌落很小，从3000rpm跌至2800rpm左右，阀门电机基本能够维持额定转速运行，这说明本发明的阀门电机低电压穿越技术能够消除电压跌落对阀门电机转速造成的影响。

针对反应堆关键阀门电机的工作特点，本发明提出了一套完整的阀门电机低电压穿越技术，通过电压反馈补偿控制器，在电压出现跌落的时候，对阀门电机进行电压补偿弱磁控制，实现阀门电机低电压穿越，在整个低电压时间内，转速跌落很小，使得阀门在低电压情况下能够在规定时间内完成开关阀动作，保证反应堆运行安全。实验结果与理论分析相吻合，均证明了该方案的有效性，能够有效实现阀门电机低电压穿越的功能。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法，其特征在于，所述方法包括：

当电网电压出现跌落，母线电压值不足以维持阀门电机当前转速的情况下，在阀门电机运行过程中，对阀门电机磁链持续动态补偿，以实现阀门电机的低电压穿越，在规定时间内完成开关阀动作。

2.根据权利要求1所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法，其特征在于，当母线电压出现跌落时，阀门电机的基速ω_b下降，阀门电机运行进入弱磁区，将经过计算得到的电压幅值与测量得到的电压极限圆值进行比较，通过电压补偿调节器输出补偿量，并与弱磁曲线进行叠加合成，以实现阀门电机的低电压穿越，在规定时间内完成开关阀动作。

3.根据权利要求2所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法，其特征在于，阀门电机运行在基速以上时，转子磁链按照基速与当前速度的比值按比例进行减少，形成弱磁控制曲线。

4.根据权利要求1所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制方法，其特征在于，本方法采用电压闭环补偿控制策略对阀门电机磁链进行持续动态补偿，电压闭环补偿控制策略如式(1)所示，式中：Ψ_r为当前磁链给定值，Ψ_rb为初始状态给定的额定磁链值，ω_b为运行基速角频率，ω_r为电机当前运行角频率；

阀门电机在正常运行过程中，阀门电机运行速度没有达到电压极限圆，输出电压值与电压极限圆差值为正值，电压补偿调节器没有补偿作用，磁链给定值保持在额定值。

5.反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制器，其特征在于，所述控制器包括：

单片机控制器、主功率电路和检测与起动电路；

单片机控制器用于执行阀门电机低电压穿越算法的运算，包括：电压补偿量计算，弱磁曲线的运算，在接收到检测与起动电路母线电压波动的信号时，实现电压补偿量的动态计算与弱磁控制，同时接收检测电路送来的阀门电机运行电压与电流反馈信号向主功率电路输出电机电压与电流控制信号；

主功率电路用于实现电力电子变换功能，接收单片机控制器的控制信号，对阀门电机绕组电压与电流进行直接控制，直接实现低电压穿越的功能；

检测与起动电路用于对阀门电机电压与电流信号、阀门电机位置信号进行采样与转换，同时监测母线电压值的波动，并将信号送至单片机控制器用于电机低电压穿越算法的运算，同时用于实现阀门电机起动时的换相功能；

功率主电路包括主电路与保护电路，主电路用于实现电力电子变换功能，直接对阀门电机电压与电流进行控制；保护电路用于对主电路出现的短路、过流与缺相故障进行保护。

6.根据权利要求5所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制器，其特征在于，所述控制器采用电压闭环补偿控制策略对阀门电机磁链进行持续动态补偿，电压闭环补偿控制策略如式(1)所示，式中：Ψ_r为当前磁链给定值，Ψ_rb为初始状态给定的额定磁链值，ω_b为运行基速角频率，ω_r为电机当前运行角频率；

阀门电机在正常运行过程中，阀门电机运行速度没有达到电压极限圆，输出电压值与电压极限圆差值为正值，电压补偿调节器没有补偿作用，磁链给定值保持在额定值。

7.根据权利要求5所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制器，其特征在于，

检测与起动电路包括位置检测电路、信号采样电路和接口电路；位置检测电路用于对阀门电机位置信号进行检测；信号采样电路用于对阀门电机电压与电流信号进行采样与处理，同时监测母线电压的波动值，使电压与电流信号能够送至单片机控制器；接口电路用于实现调试过程中人机交互功能与控制器内部信号输出与观察。

8.根据权利要求7所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制器，其特征在于，检测电路中的电流检测模块采用霍尔器件检测，在U相、V相进行电流采样，对采样回来的信号进行偏移和放大，使用LM358搭建偏移和放大电路，并在采样之前对电流采样零值进行校准，加入采样偏移量以消除采样偏移带来的影响。

9.根据权利要求5所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制器，其特征在于，当阀门电机母线电压出现跌落时，阀门电机的基速ω_b下降，阀门电机运行进入弱磁区，将经过计算得到的电压幅值与测量得到的电压极限圆值进行比较，通过电压补偿调节器输出补偿量，并与弱磁曲线进行叠加合成，通过补偿量将一部分电机d轴电压量分配给q轴进行控制。

10.根据权利要求9所述的反应堆关键电动阀门电机低电压穿越控制器，其特征在于，电压补偿调节器采用积分环节，电压补偿调节器积分系数如式(5)所示：

其中σ为漏磁系数，L_s为定子电感，L_r为转子电感，L_m为气隙电感，ω_e为电动阀门电机同步角频率，R_r为阀门电机转子电阻。