CN112769366A - 一种电励磁同步电机励磁变流器控制方法及装置、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电励磁同步电机励磁变流器控制方法及装置、系统，该方法步骤包括，根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；将比例积分调节控制输出作为输出直流电压期望值；输出直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制。本发明改变现有技术采用交流‑直流的变换方式，无需采集电网电压相位，提高了系统的可靠性，降低了控制系统对电网电压相位的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种电励磁同步电机励磁控制方法及装置、系统。
背景技术
电励磁同步电机因其励磁可以独立调节，通过调节励磁电流可以实现电机磁场的稳定和功率因数可调，适用于大功率传动场合。
现有技术中电励磁同步电机励磁电流多采用交流-直流的变换方式获得，该控制方法基于电网的相位控制功率半导体器件的导通关断，控制算法复杂，且需要硬件采集电网电压，存在系统干扰导致控制系统出现相位计算错误的风险。
如何降低电励磁同步电机转子励磁环节控制复杂度，减少对电网电压相位的依赖，是电励磁同步电机变频驱动系统安全、高效、低成本运行的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种励磁环节控制简单，且对电网电压向外依赖低的电励磁同步电机励磁变流器控制方法及装置、系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电励磁同步电机励磁变流器控制方法，该方法步骤包括，
根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；所述启动状态包括空载运行状态和带载运行状态；
对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；
将比例积分调节控制输出作为直流电压期望值；
直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制。
优选的，所述空载励磁电流给定值通过电机的空载特性曲线获得，空载特性曲线中定子为额定电压时对应的转子励磁电流值即为空载励磁电流给定值；所述电机的空载特性曲线为在定子不接入电源的情况下电机被拖动运转至额定转速，调节转子励磁电流所获得的一组在不同励磁电流值情况下的定子电压值。
优选的，所述带载励磁电流给定值由磁链控制比例积分调节器输出除以负载角的余弦值获得，具体步骤如下：
计算磁链给定值与磁链反馈值的偏差，将偏差进行比例积分调节控制；
比例积分调节控制输出除以负载角θL的余弦值cos(θL)后作为带载励磁电流给定值；
所述磁链的反馈值和负载角θL由现有技术中的磁链观测器获得；
所述磁链给定值由下式计算获得：
其中，其中ψn为电机额定磁链，Un为电机额定电压，ωn为电机额定角速度。
优选的，对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制，具体步骤包括：
计算励磁电流给定值与励磁电流反馈值的偏差；
将偏差值进行比例积分调节控制；
比例积分调节控制的输出经过限制幅值后作为直流电压期望值。
所述限制幅值是将期望输出的直流电压最大值限制在2倍电机转子的额定电压。
优选的，所述直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，具体方法包括：所述期望输出直流电压值与三角载波比较，当期望输出直流电压值大于三角载波时输出开通IGBT的PWM信号，当期望输出直流电压值小于三角载波时输出关断IGBT的PWM信号。
本发明还提供了一种电励磁同步电机励磁变流器控制装置，该控制装置包括信号采集模块，励磁电流给定值计算模块，比例积分调节控制模块及斩波控制模块；其中，
所述信号采集模块，用于采集电机的启动状态；
励磁电流给定值计算模块，用于根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；
比例积分调节控制模块，用于对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；
斩波控制模块，用于直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制；
所述励磁电流给定值计算模块包含空载励磁电流给定计算模块和带载励磁电流给定计算模块；
所述空载励磁电流给定计算模块，用于建立电励磁同步电机无定子电枢反应时的主磁场，计算空载励磁电流给定值。
所述带载励磁电流给定计算模块，用于建立包含定子电枢反应时的主磁场，计算带载励磁电流给定值。
优选的，所述比例积分调节控制模块包含比例调节模块、积分调节模块及限幅处理模块；
所述比例调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的比例调节量。
所述积分调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的积分调节量。
所述限幅处理模块是将期望输出直流电压的最大值限制在2倍电机转子的额定电压；
所述斩波控制模块包括载波比较模块、触发模块；
所述载波比较模块，用于直流电压期望值与三角载波比较，计算触发IGBT的PWM脉冲；
所述触发模块，用于将PWM脉冲转换成IGBT的门级电信号驱动IGBT器件开通关断。
本发明还提供了一种电励磁同步电机励磁系统，该系统包括母线连接装置，励磁变流装置，所述母线连接装置的输入端子接入直流电压源，其输出端输出直流电源连接至励磁变流装置；
所述励磁变流装置输出直流电源给电励磁同步电机转子励磁绕组，为电励磁同步电机转子励磁绕组提供可控直流电流；
所述励磁变流装置包括励磁变流电路和上述任一项所述的控制装置。
优选的，所述母线连接装置包括快熔、电容模块、电压传感器、通信模块；其中，
所述电压传感器用于采集直流电压，并通过通信模块发送至励磁控制装置；
所述快熔串联连接在输入直流电源的两个输入端，保护后级电路在短路情况下能够断开主电源；
所述电容模块一方面用于滤波作用，一方面用于后级斩波电路的储能单元。
优选的，所述励磁变流电路包括功率开关器件IGBT，触发模块，快速恢复二极管，平波电抗器，电流信号采集模块；其中，
所述功率开关器件IGBT集电极接入直流电源的正极端子，IGBT发射极分别连接二极管的阴极和平波电抗器的一端；
所述触发模块用于触发功率开关器件IGBT；
所述快速恢复二极管的阳极连接输入直流电源的负极端子，阳极连接输出直流电源的负极端子，并在此连接线上连接电流信号采集模块；
所述平波电抗器的另一端子连接输出直流电源正极端子。
本发明有益效果：
1.本发明改变现有技术采用交流-直流的变换方式，无需采集电网电压相位，提高了系统的可靠性，降低了控制系统对电网电压相位的依赖；
2.本发明通过对励磁电流的控制，实现对电励磁同步电机磁场的控制。根据电机运行的状态调节电机的磁场，尤其在带载情况下，通过对磁链的控制实现电机的主磁场快速的调节，满足系统高动态响应的需求。
3.本发明的励磁系统改变了现有技术的独立变压器供电方式，采用电机定子侧变频器整流器直流端的直流母线供电，转子侧的无功功率通过与直流母线上的电容交换，降低了变频驱动装置的无功功率，还提高了系统的功率因数；
4.本发明的励磁系统供电方式省去变压器，节约了变频驱动装置成本，降低了装置体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明一实施例提供的电励磁同步电机励磁变流器控制方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的带载励磁电流给定环节控制框图；
图3为本发明一实施例提供的励磁电流比例积分控制环节控制框图；
图4为本发明又一实施例提供的一种电励磁同步电机励磁控制装置示意图；
图5为现有技术提供的一种电励磁同步电机励磁变流器连接示意图；
图6为本发明又一实施例提供的一种电励磁同步电机励磁变流器系统连接示意图；
图7为本发明又一实施例提供的母线连接装置组成示意图；
图8为本发明又一实施例提供的本发明励磁变流器电路组成示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍本发明的技术方案。
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种针对上述电路的电励磁同步电机励磁变流器控制方法，该方法包括：
步骤S1：根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；
所述启动状态包括空载运行状态和带载运行状态。所述空载运行工况为电机仅由转子提供主磁场，定子不工作的状态，电机此时不运转；所述带载运行工况为电机定转子均供电的状态，电机此时运转。
步骤S2：对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；
步骤S3：将比例积分调节控制输出作为直流电压期望值；
步骤S4：直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制。
进一步的，所述空载励磁电流给定值通过电机的空载特性曲线获得，空载特性曲线中定子为额定电压时对应的转子励磁电流值即为空载励磁电流给定值。所述电机的空载特性曲线为在定子不接入电源的情况下电机被拖动运转至额定转速，调节转子励磁电流所获得的一组在不同励磁电流值情况下的定子电压值。
进一步的，所述带载励磁电流给定值由磁链控制比例积分调节器输出除以负载角的余弦值获得。如图2所示带载励磁电流给定计算框图，具体计算步骤如下：计算磁链给定值与磁链反馈值的偏差，将偏差进行比例积分调节控制；比例积分调节控制输出除以负载角θL的余弦值cos(θL)后作为带载励磁电流给定值。
具体的，所述磁链的反馈值和负载角由现有技术中的磁链观测器获得。
所述磁链给定值由下式计算获得，其中ψn为电机额定磁链，Un为电机额定电压，ωn为电机额定角速度。
进一步的，对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制，如图3所示励磁电流比例积分调节框图，具体计算步骤如下：
计算励磁电流给定值与励磁电流反馈值的偏差；
将偏差进行比例积分调节控制；
比例积分调节控制输出经限制幅值后作为期望输出直流电压值。
所述电压幅值限制是将期望输出直流电压的最大值限制在2倍电机转子的额定电压。
进一步的，所述直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，具体方法包括：所述期望输出直流电压值与三角载波比较，当期望输出直流电压值大于三角载波时输出开通IGBT的PWM信号，当期望输出直流电压值小于三角载波时输出关断IGBT的PWM信号。
所述三角载波通过计数器获得，可选择增计数、减计数、增减计数模式获得。
本发明改变现有技术采用交流-直流的变换方式，无需采集电网电压相位，提高了系统的可靠性，降低了控制系统对电网电压相位的依赖。
本发明又一实施例提供了一种电励磁同步电机励磁控制装置，如图4所示，该控制装置包括信号采集模块，励磁电流给定值计算模块，比例积分调节控制模块及斩波控制模块。其中，
所述信号采集模块，用于采集电机的启动状态；
所述励磁电流给定值计算模块，用于根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；
所述比例积分调节控制模块，用于对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；
所述斩波控制模块，用于直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制。
进一步的，所述励磁电流给定值计算模块包含空载励磁电流给定计算模块和带载励磁电流给定计算模块；
所述空载励磁电流给定计算模块用于建立电励磁同步电机无定子电枢反应时的主磁场。
所述带载励磁电流给定计算模块用于建立包含定子电枢反应时的主磁场。
进一步的，所述比例积分调节控制模块，包含比例调节模块和积分调节模块及限幅处理模块。
所述比例调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的比例调节量。
所述积分调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的积分调节量。
所述限幅处理模块，用于将期望输出直流电压的最大值限制在2倍电机转子的额定电压。
进一步的，斩波控制模块包括载波比较模块、触发模块，所述载波比较模块用于直流电压期望值与三角载波比较，计算触发IGBT的PWM脉冲；触发模块用于将PWM脉冲转换成IGBT的门级电信号，驱动IGBT器件开通关断。
图5为虚线框中所示为现有技术中电励磁同步电机的励磁供电方式，转子侧供电由转子供电装置，励磁变流装置组成。所述转子供电装置由转子电源开关、转子变压器组成。该控制方式采用独立的变压器供电，增加了系统的成本；并且该系统励磁变流单元采用三相可控硅整流控制，系统动态响应较慢，器件的故障检测及保护功能难以实现；另外由于转子励磁绕组和变压器消耗感性的无功功率，因此总系统的功率因数降低。针对上述问题，本发明又一实施例提供了一种电励磁同步电机励磁系统。图6虚线框中所示为本发明又一实施例提供的一种电励磁同步电机励磁系统的供电方式。本发明针对现有电励磁同步电机励磁控制的缺点，提出一种采用直流-直流变换的供电方式，通过定子侧变频器的直流母线供电，实现励磁电流的高性能控制，无独立变压器供电，IGBT状态监视等的技术问题。
该系统包括母线连接装置，励磁变流装置。所述母线连接装置的输入端子接入直流电压源，其输出端输出直流电源连接至励磁变流装置。所述励磁变流装置输出直流电源给电励磁同步电机转子励磁绕组，为电励磁同步电机转子励磁绕组提供可控直流电流。
所述励磁变流装置包括励磁变流电路和控制装置。
进一步的，所述控制装置包括信号采集模块，励磁电流给定值计算模块，比例积分调节控制模块及斩波控制模块。其中，
所述信号采集模块，用于采集电机的启动状态；
所述励磁电流给定值计算模块，用于根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；
所述比例积分调节控制模块，用于对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；
所述斩波控制模块，用于直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制。
进一步的，所述励磁电流给定值计算模块包含空载励磁电流给定计算模块和带载励磁电流给定计算模块；
所述空载励磁电流给定计算模块用于建立电励磁同步电机无定子电枢反应时的主磁场。
所述带载励磁电流给定计算模块用于建立包含定子电枢反应时的主磁场。
进一步的，所述比例积分调节控制模块，包含比例调节模块和积分调节模块及限幅处理模块。
所述比例调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的比例调节量
所述积分调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的积分调节量
所述限幅处理模块，用于将期望输出直流电压的最大值限制在2倍电机转子的额定电压。
进一步的，斩波控制模块包括载波比较模块、触发模块，所述载波比较模块用于直流电压期望值与三角载波比较，计算触发IGBT的PWM脉冲；触发模块用于将PWM脉冲转换成IGBT的门级电信号驱动IGBT器件开通关断。
如图7所示，直流母线连接装置包括快熔、电容模块、电压传感器、通信模块。所述直流母线连接装置的输入端子连接直流电压源的正负端子，输出向励磁变流单元提供稳定电压的直流电源。所述电压传感器用于采集直流电压，并通过通信模块发送至励磁控制装置。所述快熔串联连接在输入直流电源的两个输入端，保护后级电路在短路情况下能够断开主电源。所述电容模组一方面用于滤波作用，一方面用于作为后级斩波电路的储能单元。
如图8所示，励磁变流电路装置包括功率开关器件IGBT，触发模块，快速恢复二极管，平波电抗器，电流信号采集模块。其中，所述IGBT集电极连接输入直流电源的正极端子，IGBT发射极分别连接二极管的阴极和平波电抗器的一端。所述触发模块用于触发功率开关器件IGBT。二极管的阳极连接输入直流电源的负极端子，阳极连接输出直流电源的负极端子，并在此连接线上连接电流信号采集模块。平波电抗器的另一端子连接输出直流电源正极端子。
所述励磁变流电路拓扑不限定于本实施给出的buck降压电路，也可由其他具有升降压功能的直流变换器拓扑组成。
本发明改变现有技术独立变压器供电方式，采用电机定子侧变频器整流器直流端的直流母线供电，转子侧的无功功率通过与直流母线上的电容交换，降低了变频驱动装置的无功功率，提高了系统的功率因数；该供电方式省去变压器，节约了变频驱动装置成本，降低了装置体积。励磁变流器采用直流-直流变换器，功率开关器件采用IGBT，具有功率器件故障检测和保护功能，同时采用直流-直流变换器易于实现模块变流器设计。
本发明实施例中的各个功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独的物理存在，也可以两个或者两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块可以采用硬件的形式实现也可以采用软件功能模块的方式实现。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种电励磁同步电机励磁变流器控制方法，其特征在于：该方法步骤包括，
根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；所述启动状态包括空载运行状态和带载运行状态；
对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；
将比例积分调节控制输出作为输出直流电压期望值；
输出直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制。
2.根据权利要求1所述的电励磁同步电机励磁变流器控制方法，其特征在于：
所述空载励磁电流给定值通过电机的空载特性曲线获得，空载特性曲线中定子为额定电压时对应的转子励磁电流值即为空载励磁电流给定值；
所述电机的空载特性曲线为在定子不接入电源的情况下电机被拖动运转至额定转速，调节转子励磁电流所获得的一组在不同励磁电流值情况下的定子电压值。
3.根据权利要求1所述的电励磁同步电机励磁变流器控制方法，其特征在于：
所述带载励磁电流给定值由磁链控制比例积分调节器输出除以负载角的余弦值获得，具体步骤如下：
计算磁链给定值与磁链反馈值的偏差，将偏差进行比例积分调节控制；
比例积分调节控制输出除以负载角θL的余弦值cos(θL)后作为带载励磁电流给定值；
所述磁链的反馈值和负载角θL由现有技术中的磁链观测器获得；
所述磁链给定值由下式计算获得：
其中，其中ψn为电机额定磁链，Un为电机额定电压，ωn为电机额定角速度。
4.根据权利要求1所述的电励磁同步电机励磁变流器控制方法，其特征在于：
所述对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制，具体方法包括：
计算励磁电流给定值与励磁电流反馈值的偏差；
将偏差值进行比例积分调节控制；
比例积分调节控制的输出值经过电压幅值限制，作为期望输出直流电压值；
所述电压幅值限制是将期望输出直流电压的最大值限制在2倍电机转子的额定电压。
5.根据权利要求1所述的电励磁同步电机励磁变流器控制方法，其特征在于：
所述直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，具体方法包括：
所述期望输出直流电压值与三角载波比较，当期望输出直流电压值大于三角载波时输出开通IGBT的PWM信号，当期望输出直流电压值小于三角载波时输出关断IGBT的PWM信号。
6.一种电励磁同步电机励磁变流器控制装置，其特征在于：该控制装置包括信号采集模块，励磁电流给定值计算模块，比例积分调节控制模块及斩波控制模块；其中，
所述信号采集模块，用于采集电机的启动状态；
所述励磁电流给定值计算模块，用于根据电机的启动状态计算对应的励磁电流给定值；
所述比例积分调节控制模块，用于对励磁电流给定值和励磁电流反馈值进行励磁电流比例积分调节控制；
所述斩波控制模块，用于直流电压期望值与三角载波比较产生PWM信号控制IGBT开通关断，实现对励磁电流的控制，进而实现对电励磁同步电机主磁场的控制；
所述励磁电流给定值计算模块包含空载励磁电流给定计算模块和带载励磁电流给定计算模块；
所述空载励磁电流给定计算模块，用于建立电励磁同步电机无定子电枢反应时的主磁场，计算空载励磁电流给定值。
所述带载励磁电流给定计算模块，用于建立包含定子电枢反应时的主磁场，计算带载励磁电流给定值。
7.根据权利要求6所述的电励磁同步电机励磁变流器控制装置，其特征在于：
所述比例积分调节控制模块包含比例调节模块、积分调节模块及限幅处理模块；
所述比例调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的比例调节量。
所述积分调节模块，用于计算励磁电流给定值和励磁电流反馈值差值的积分调节量。
所述限幅处理模块是将期望输出直流电压的最大值限制在2倍电机转子的额定电压；
所述斩波控制模块包括载波比较模块及触发模块；
所述载波比较模块，用于直流电压期望值与三角载波比较，计算触发IGBT的PWM脉冲；
所述触发模块，用于将PWM脉冲转换成IGBT的门级电信号，驱动IGBT器件开通关断。
8.一种电励磁同步电机励磁系统，其特征在于：该系统包括母线连接装置，励磁变流装置，所述母线连接装置的输入端子接入直流电压源，其输出端输出直流电源连接至励磁变流装置；
所述励磁变流装置输出直流电源给电励磁同步电机转子励磁绕组，为电励磁同步电机转子励磁绕组提供可控直流电流；
所述励磁变流装置包括励磁变流电路和权利要求7-10任一项所述的控制装置。
9.根据权利要求8所述的电励磁同步电机励磁系统，其特征在于：所述母线连接装置包括快熔、电容模块、电压传感器、通信模块；其中，
所述电压传感器用于采集直流电压，并通过通信模块发送至励磁控制装置；
所述快熔串联连接在输入直流电源的两个输入端，保护后级电路在短路情况下能够断开主电源；
所述电容模块一方面用于滤波作用，一方面用于后级斩波电路的储能单元。
10.根据权利要求9所述的电励磁同步电机励磁系统，其特征在于：所述励磁变流电路包括功率开关器件IGBT，触发模块，快速恢复二极管，平波电抗器，电流信号采集模块；其中，
所述功率开关器件IGBT集电极接入直流电源的正极端子，IGBT发射极分别连接二极管的阴极和平波电抗器的一端；
所述触发模块用于触发功率开关器件IGBT；
所述快速恢复二极管的阳极连接输入直流电源的负极端子，阳极连接输出直流电源的负极端子，并在此连接线上连接电流信号采集模块；
所述平波电抗器的另一端子连接输出直流电源正极端子。
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