CN115085630B - 一种静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，属于静止变频器辅助启动领域。本发明提供的发明通过在已有的电流转速双闭环控制的基础上，引入实测振幅值作为一个闭环控制量，通过实时测量机组反馈的振动值信号，将振动值送入振动算法环节，通过该环节的判断输出控制字，电流环变限幅函数环节根据控制字对双闭环控制中的电流环限幅值进行调整，以达到调整输出力矩的目的，实现了动态闭环控制振幅，保证启动过程中的电动机振幅在正常范围内。本方法能够根据电动机共振频率区间，动态调整传动力矩，在保证拖动电动机的前提下，最大限度的降低振动值。
Description
技术领域
本发明涉及一种静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，属于静止变频器辅助启动领域。
背景技术
静止变频器是一种能提供频率及电压同时变化的电源装置，静止变频器的直流电路通常采用电抗器滤波，静止变频器在传动电动机时，由于变频器的变频特性，通常在电动机启动和运行时产生较大的振动，由于静止变频器采用晶闸管作为电力电子器件，在传动同步电动机时采用相控的方式，容易产生大量的谐波，畸变率THD相比脉冲宽度PWM调制方式更严重，谐波的增加会使电机发生共振的几率增加，从而使变频电机的振动加剧。目前针对变频器传动电动机的振动问题，主要是从电动机的制造工艺上做出处理，比如选择合理的气隙密，选择合适的绕组节距；而当前生产中主要研究方向为PMW控制方式下电机的高频振动，针对静止变频器这种存在低频脉冲换相阶段共振导致的振动问题，鲜有研究。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，本方法能够根据电动机共振频率区间，动态调整传动力矩，在保证拖动电动机的前提下，最大限度的降低振动值。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为，一种静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，至少包括如下步骤：
(1)获取电机允许振动的最大限值，以确定该电机的振幅上限值Vibmax和振幅下限值Vibmin；
(2)当电机启动后，获取电机的实时转速，并通过速度控制器判断，根据判断结果对整流桥进行调节，过静止变频器的控制单元对整流桥进行调节，在不同的转速阶段给出不同的电流预设值；
(3)对电动机的实时振幅值Vib进行测量，通过振幅算法环节得到用于控制电流限幅环节的控制字Hout，振幅算法环节将电机的实时振幅值Vib与振幅上限值Vibmax和振幅下限值Vibmin进行对比：
a.当|Vib-Vibmin|＜ε，即实时振幅值在振幅下限值的振动误差ε范围内，ε为常数，或者Vib＜Vibmin，即实时振幅值小于振幅下限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝0；
b.当|Vib-Vibmin|＞ε，即实时振幅值对振幅下限值的波动值超出振动误差ε范围，ε为常数，且Vib＜Vibmax，即实时振幅值小于振幅上限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝1；
c.当Vib＞Vibmax，即实时振幅值大于振幅上限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝2；
(4)电流限幅环节的电流限制值根据步骤(3)中振幅算法环节给出的控制字Hout进行判断：
a.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝0时，根据预设的电流限制值Iprset对电机进行控制；
b.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝1时，根据公式1对电流限制值进行实时计算
Ilim(n)＝Ilim(n-1)-kΔt(k＜di/dt) 公式1
式中：Ilim(n)为任一时刻的电流限制值，其中Ilim(n)≤最小拖动电机电流Imin(dc)，Δt为一个计算周期，k为斜坡函数斜率，n为采样周期；
c.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝2时，根据最小拖动电机电流Imin(dc)对电机进行控制；
(5)电动机根据电流限幅环节输出的电流限制值对静止变频器的启动进行控制，以达到抑制电机振动的作用。
在步骤(3)中，当开始电动机启动后，静止变频器进入控制单元，其中静止变频器的控制单元至少包含转速电流双闭环调节、逆变桥换相裕量角闭环控制和励磁自动控制调节；控制单元通过公式2对电机转矩Te进行控制：
式中：CT为转矩常数，φ为气隙主磁通，Ia为电枢电流，为定子磁链与转子磁链之间的夹角；
整流桥的闭环控制用于提供稳定的直流电流Idc，逆变桥控制电机的频率和功率因数。
更进一步的，转速电流双闭环调节通过对电流变限幅环节进行控制进而控制直流电流给定值Idc，至少包含转速给定、转速测量环节、速度控制器、电流变限幅环节、振幅测量环节、振幅算法环节、电流控制器、整流桥脉冲触发控制，通过转速测量环节对电动机进行转速进行测量，并通过速度控制器判断，将结果输入到电流变限幅环节，对整流桥进行调节。
更进一步的，逆变桥换相裕量角γ0闭环控制用于保持恒定，至少包含换相重叠角的计算、换相超前角计算，通过换相重叠角的计算和换相超前角计算得到换相裕量角，根据换相裕量角对逆变桥进行调节。
更进一步的，励磁自动控制调节用于保持气隙主磁通φ恒定，至少包含电压给定、电压反馈和电压控制器，根据电压控制器，通过整流桥对励磁绕组进行调控。
在步骤(4)中，电流限幅环节的限制值变化为一个斜坡函数，斜坡函数斜率不大于所采用的电力电子器件的限制值，斜坡函数斜率k的设定根据所采用电力电子器件的设计值和系统振幅响应速度确定。
根据上述技术方案可知，本发明提供的发明通过在已有的电流转速双闭环控制的基础上，引入实测振幅值作为一个闭环控制量，通过实时测量机组反馈的振动值信号，将振动值送入振动算法环节，通过该环节的判断输出控制字，电流环变限幅函数环节根据控制字对双闭环控制中的电流环限幅值进行调整，以达到调整输出力矩的目的，实现了动态闭环控制振幅，保证启动过程中的电动机振幅在正常范围内。
与现有的技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：因为本方法无需在对已有电动机的结构做出任何改动，进行将振动值进行反馈，加入改进的算法，根据振动情况判断电动机固有共振区间，进而对改变变频器输出电流值，所以本方法能够在电动机启动过程中的共振区间改变输出力矩，在保证拖动电动机的前提下，最大限度的降低振动值，从而在躲过该区间后，恢复输出电流值，恢复最大力矩拖动。
附图说明
图1为本发明的振动抑制环节的静止变频器控制结构图；
图2为本发明的振动幅值算法环节控制和电流环变限幅函数环节控制图；
图3为本发明的静止变频器闭环控制的电流限幅值变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细具体的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在本发明所提供的技术方案中的一种静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，如图1所示，至少包括如下步骤：
(1)获取电机允许振动的最大限值，以确定该电机的振幅上限值Vibmax和振幅下限值Vibmin；振幅上限值Vibmax和振幅下限值Vibmin均根据传动对象的设计值来确定，针对不同的电机和运行工况，确定符合不同电机的振幅环节上下限值，此环节的振动最大限值并非电机允许的最大限值，通常要小于电机所允许的最大限值。
(2)当电机启动后，获取电机的转速，并通过速度控制器判断，根据判断结果对整流桥进行调节，同时通过静止变频器的控制单元对整流桥进行调节。
其中如图1所示，静止变频器的中至少包含整流桥、逆变桥、连接在整流桥和逆变桥之间的直流电抗器和控制单元，当静止变频器开始启动后，电网中的交流电通过整流桥转换为直流电，转换完成的直流电通过直流电抗器滤波后进入逆变桥，逆变桥将流入的直流电逆变为交流电，输入到电动机中；
当开始电动机启动后，静止变频器进入控制单元，控制单元通过公式2对电机转矩Te进行控制：
式中：CT为转矩常数，φ为气隙主磁通，Ia为电枢电流，为定子磁链与转子磁链之间的夹角；整流桥的闭环控制用于提供稳定的直流电流Idc，逆变桥控制电机的频率和功率因数。
静止变频器的控制单元至少包含转速电流双闭环调节、逆变桥换相裕量角γ0闭环控制和励磁自动控制调节。
转速电流双闭环调节通过对电流变限幅环节进行控制进而控制直流电流给定值Idc，至少包含转速给定、转速测量环节、速度控制器、电流变限幅环节、振幅测量环节、振幅算法环节、电流控制器、整流桥脉冲触发控制，通过转速测量环节对电动机进行转速进行测量，并通过速度控制器判断，将结果输入到电流变限幅环节，对整流桥进行调节。
逆变桥换相裕量角γ0闭环控制用于保持恒定，至少包含换相重叠角的计算、换相超前角计算，通过换相重叠角的计算和换相超前角计算得到换相裕量角，根据换相裕量角对逆变桥进行调节。
励磁自动控制调节用于保持气隙主磁通φ恒定，至少包含电压给定、电压反馈和电压控制器，根据电压控制器，通过整流桥对励磁绕组进行调控。
(3)对电动机的实时振幅值Vib进行测量，如图2所示，通过振幅算法环节得到用于控制电流限幅环节的控制字Hout，振幅算法环节将电机的实时振幅值Vib与振幅上限值Vibmax和振幅下限值Vibmin进行对比：
a.当|Vib-Vibmin|＜ε，即实时振幅值在振幅下限值的振动误差ε范围内，ε为常数，或者Vib＜Vibmin，或即实时振幅值小于振幅下限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝0；
b.当|Vib-Vibmin|＞ε，即实时振幅值对振幅下限值的波动值超出振动误差ε范围，ε为常数，且Vib＜Vibmax，即实时振幅值小于振幅上限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝1；
c.当Vib＞Vibmax，即实时振幅值大于振幅上限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝2；
其中k根据所采用电力电子器件的设计值和系统振幅响应速度确定。
(4)电流限幅环节的电流限制值根据步骤(3)中振幅算法环节给出的控制字Hout进行判断：
a.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝0时，根据预设的电流限制值Iprset对电机进行控制；
b.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝1时，根据公式1对电流限制值进行实时计算
Ilim(n)＝Ilim(n-1)-kΔt(k＜di/dt) 公式1
式中：Ilim(n)为任一时刻的电流限制值，Ilim(n)的最小值为最小拖动电机电流Imin(dc)，Δt为一个计算周期，k为斜坡函数斜率；
在最大程度抑制振动下保证电磁转矩大于负载力矩，保证能正常传动电机。电流的限幅值会在上一时刻的限制值基础上按照一定的斜坡降低，主要振幅输出的控制字Hout＝1，则会一直对限幅值进行降低，直到振幅满足要求，输出的控制字Hout＝0
c.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝2时，根据最小拖动电机电流Imin(dc)对电机进行控制；即Ilim(n)＝Imin(dc)，式中Ilim(n)即是输出的电流限幅环节限制值，在满足传动电动机的前提下，最大限度的降低启动电磁力矩。此处的最小拖动电机电流Imin(dc)是静止变频器能够拖动的最小电流，是一个限制值，为实际控制环节的一个限幅值，在控制环节中会自动限幅，不需要特别给定。
(5)电动机根据电流限幅环节输出的电流限制值对静止变频器的启动进行控制，以达到抑制电机振动的作用。
电流限制环节的限制值变化为一个斜坡函数，斜坡函数斜率k不大于所采用的电力电子器件的di/dt限制值，斜坡函数斜率k的设定根据所采用电力电子器件的设计值和系统振幅响应速度确定。
如图3所示为电流变限幅值的变化曲线图，此图为某一种特定情况的曲线，不代表所有工况下的电流限幅变化曲线。在启动初始阶段，电机未到共振区间，此时振幅较小，振幅电流算法环节走分支1，在[0～t1]时间内电流限幅值按照预置值Ipreset1设定。在t1时刻开始，振动值超过振幅最小限值Vibmin，电流限幅值在[t1～t2]由Ipreset1降低至Imin(n)，此时n为1。随着电机转速的升高，进入共振区间，尽管降低了电流限幅值，但是振动仍然增大，超过了振幅的最大限值Vibmax，此时电流限幅值在[t2～t3]降低到最小值Imin(dc)，此时完全进入电动机启动的共振区间，在[t3～t4]时间内始终保持最小电流值拖动电机，从t4时刻开始，电机此时转速走出共振区间，振幅值迅速降低，小于最小限值Vibmin，振幅电流值恢复到预置值Ipreset2，完成整个启动阶段的振幅限制过程，在[t4～t5]时间内为电流恢复到Ipreset2的阶段，此处不是阶跃恢复，按照一定的斜率恢复，公式为Iprest2＝Imin(dc)+k1Δt。
Claims (6)
1.一种静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，其特征在于至少包括如下步骤：
(1)获取电机允许振动的最大限值，以确定该电机的振幅上限值Vibmax和振幅下限值Vibmin；
(2)当电机启动后，获取电机的实时转速，并通过速度控制器判断，根据判断结果对整流桥进行调节，过静止变频器的控制单元对整流桥进行调节，在不同的转速阶段给出不同的电流预设值；
(3)对电动机的实时振幅值Vib进行测量，通过振幅算法环节得到用于控制电流限幅环节的控制字Hout，振幅算法环节将电机的实时振幅值Vib与振幅上限值Vibmax和振幅下限值Vibmin进行对比：
a.当|Vib-Vibmin|＜ε，即实时振幅值在振幅下限值的振动误差ε范围内，ε为常数，或者Vib＜Vibmin，或即实时振幅值小于振幅下限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝0；
b.当|Vib-Vibmin|＞ε，即实时振幅值对振幅下限值的波动值超出振动误差ε范围，ε为常数，且Vib＜Vibmax，即实时振幅值小于振幅上限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝1；
c.当Vib＞Vibmax，即实时振幅值大于振幅上限值时，振幅算法环节输出的控制字Hout＝2；
(4)电流限幅环节的电流限制值根据步骤(3)中振幅算法环节给出的控制字Hout进行判断：
a.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝0时，根据预设的电流限制值Iprset对电机进行控制；
b.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝1时，根据公式1对电流限制值进行实时计算
Ilim(n)＝Ilim(n-1)-kΔt(k＜di/dt) 公式1
式中：Ilim(n)为任一时刻的电流限制值，其中Ilim(n)≤最小拖动电机电流Imin(dc)，Δt为一个计算周期，k为斜坡函数斜率，n为采样周期；
c.当电流限幅环节收到的控制字Hout＝2时，根据最小拖动电机电流Imin(dc)对电机进行控制；
(5)电动机根据电流限幅环节输出的电流限制值对静止变频器的启动进行控制，以达到抑制电机振动的作用。
2.根据权利要求1所述的静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，其特征在于：在步骤(3)中，当开始电动机启动后，静止变频器进入控制单元，其中静止变频器的控制单元至少包含转速电流双闭环调节、逆变桥换相裕量角闭环控制和励磁自动控制调节；控制单元通过公式2对电机转矩Te进行控制：
式中：CT为转矩常数，φ为气隙主磁通，Ia为电枢电流，为定子磁链与转子磁链之间的夹角；
整流桥的闭环控制用于提供稳定的直流电流Idc，逆变桥控制电机的频率和功率因数。
3.根据权利要求2所述的静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，其特征在于：转速电流双闭环调节通过对电流变限幅环节进行控制进而控制直流电流给定值Idc，至少包含转速给定、转速测量环节、速度控制器、电流变限幅环节、振幅测量环节、振幅算法环节、电流控制器、整流桥脉冲触发控制，通过转速测量环节对电动机进行转速进行测量，并通过速度控制器判断，将结果输入到电流变限幅环节，对整流桥进行调节。
4.根据权利要求2所述的静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，其特征在于：逆变桥换相裕量角γ0闭环控制用于保持恒定，至少包含换相重叠角的计算、换相超前角计算，通过换相重叠角的计算和换相超前角计算得到换相裕量角，根据换相裕量角对逆变桥进行调节。
5.根据权利要求2所述的静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，其特征在于：励磁自动控制调节用于保持气隙主磁通φ恒定，至少包含电压给定、电压反馈和电压控制器，根据电压控制器，通过整流桥对励磁绕组进行调控。
6.根据权利要求1所述的静止变频器启动过程中电机振动优化抑制方法，其特征在于：在步骤(4)中，电流限幅环节的限制值变化为一个斜坡函数，斜坡函数斜率不大于所采用的电力电子器件的限制值，斜坡函数斜率k的设定根据所采用电力电子器件的设计值和系统振幅响应速度确定。
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| 变频器驱动异步电机振动频谱特征分析;李文;赵慧敏;邓武;;电机与控制学报;20120815(第08期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115085630A (zh) | 2022-09-20 |
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