CN1396705A - 瞬时转矩控制的笼型异步电机电力电子变换器直流起动/发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种涉及瞬时转矩控制的笼型异步电机电力电子变换器直流起动/发电系统，包括异步电机(1)，功率变换器(2)，滤波电路(3)，低压辅助电源(4)，变换器控制信号(5)，基于数字信号处理的控制系统(6)，数模转换器A/D(7)及交流霍尔电流传感器(8)，直流霍尔电流传感器(9)和霍尔电压传感器(10)。去掉了常用的隔离电感及转速传感器和电流闭环电路。其瞬时转矩控制方法是，在每个控制周期中，直接选用最优的电力电子变换器空间电压矢量作用于异步电机来控制电机的瞬时电磁转矩，使得系统的动态响应好，达到了突加或突卸负载时，输出电压的动态恢复时间小于10ms的目标。且整个系统结构简单，能适应于飞机、坦克、军舰、混合动力汽车等高新技术的发展需要。
Description
技术领域
本发明所涉及的是一种采用瞬时转矩控制的笼型异步电机电力电子变换器直流起动/发电系统。
背景技术
飞机、坦克、军舰、轮船等高新技术的高度发展，大量的控制设备和精密仪器都必须采用现代计算机控制技术，对电源提出了越来越高的要求，不仅要求电源大幅度提高容量，而且要求高转速，双功能，高性能，高稳定性等性能品质，如要求在突加负载或突卸负载时，输出电压的动态恢复时间小于30ms(美军军标)，以满足电传系统和高级仪器不中断供电的要求，以及输出电能精度高等等。为此，美国等西方发达国家进入80年代以后，投入了大量的人力、物力开展了这方面的研究，尤其是对航空电源的研究。1997年美国NASALewis研究中心的专家指出，随着电力电子技术的发展，对于未来的航空电源系统，笼型异步电机最有可能被用作起动/发电电机。对笼型异步电机是应该被推荐的，值得深入全面研究。美国wisconsin(威斯康星)大学已研究出60Hz，10马力的异步电机的起动发电系统的地面样机，正在进一步作航空应用的研究，与此同时，美国为适应坦克等装甲战斗车辆高度发展的需要，也对坦克等电源系统进行了研究和开发。国外目前基于笼型异步电机的起动/发电系统最前沿的控制方法是磁场定向控制，这种方法计算复杂，受电机的参数影响较大，高速时会产生输出电压振荡，动态响应不是太好。
我国一些研究机构和高等院校，为适应飞机、坦克、汽车等高新技术的发展需要，也开展了应用于这些领域的电源系统的广泛研究，尤其是航空电源系统的广泛研究，但至今除本申请者以外，还未有人从事高性能异步电机的起动/发电系统的研究。现在研究的其他电源系统动态性能不能令人满意，如突加负载或突卸负载时，输出电压的动态恢复时间大于100ms，远远不能满足现代飞机等高新技术的要求。
发明内容
本发明的目的在于，为适应现代飞机、坦克、军舰、混合动力汽车等高新技术发展的需要，研究一种结构简单，起动/发电双功能，可高转速，高可靠性，且控制方法计算简单，受电机参数变化影响很小，输出电压不振荡，当突加或突卸负载时，动态特性好，输出电压的恢复时间能达到小于10ms，以满足计算机，高级精密仪表的供电需要。
为实现上述技术指标，本发明的起动/发电系统的技术解决方案是，包括主回路，检测回路，控制回路和低压辅助电源。主回路由异步电机，功率变换器和滤波电路三者直接串联；低压辅助电源连于功率变换器输出端；检测回路由交流电流传感器，直流电流传感器和电压传感器所组成；控制回路由数模转换器连于基于数字信号处理器(DSP)的控制系统再连于变换器控制信号所组成。由此，在主回路中，删除了异步电机和功率变换器之间的隔离电感；在控制回路中，删除了常用的转速传感器；同时删除了电流闭环线路。
本发明基于笼型异步电机的起动/发电系统的控制方法是，运用瞬时电磁转矩控制策略，在控制过程中控制定子磁链的幅值不变，保证电机内部不出现电磁暂态，使得电磁转矩有极高的响应速度。具体方法是，在每个控制周期中，直接选用最优电力电子变换器的空间电压矢量作用于异步电机来控制电机的瞬时电磁转矩。
本控制方法，计算简单，受电机参数影响小，输出电压不振荡，系统的动态响应好，达到了突加负载或突卸负载时，输出电压的动态恢复时间小于10ms的目标。同时由于去掉了转速传感器，隔离电感和电流闭环，整个系统结构简单，提高了可靠性。
附图说明
图1是瞬时转矩控制的笼型异步电机电力电子变换器直流起动/发电系统的组成框图。
图2是磁链轨迹示意图。
图3是笼型异步电机发电运行状态的瞬时转矩控制系统框图。
图1中各框图内的编号名称分别是：1、异步电机，2、功率变换器，3、滤波电路，4、低压辅助电源，5、功率变换器控制信号，6、基于数字信号处理的控制系统，7、数模转换器A/D，8、交流电流传感器，9、直流电流传感器，10、电压传感器，
图2中符号名称：V1～V6—空间电压矢量，θ1～θ6—定子磁链所在空间均分的六个区域。
图3中符号名称：ψ*—定子磁链的幅值给定值，T*—电压调节器输出转矩给定值，ψ—定子磁链，T—转矩瞬时值，φ—磁链环迟滞比较器输出值，τ—转矩环迟滞比较器输出值，θ—定子磁场所在空间均分的六个区域的输出值，S1、S2、S3—三个开关状态，Uα、Iα—异步电机线电压和线电流在α-β座标系中α轴上的投影，Uβ、Iβ—异步电机线电压和线电流在α-β系中β轴上的投影，ψα、ψβ—异步电机定子磁链ψ在α-β坐标系中α轴和β轴向的投影，Udc、Idc—输出的直流电压和电流。图中各框图内名称，依据信号方向依次是：电压调节，磁链给定，转矩环迟滞比较器，磁链环迟滞比较器，开关表，坐标变换，磁链估计，转矩估计，频率估计，还有主电路中的异步电机及IGBT三相桥。
具体实施方式
根据附图叙述本发明的具体实施方式及工作原理和工作过程。由图1可知，本发明的起动/发电系统包括由异步电机1，功率变换器2和滤波电路3三者直接串联而组成的主回路；由交流电流传感器8，直流电流传感器9和电压传感器10所组成的检测回路；由数模转换器A/D7连于基于数字信号处理器(DSP)的控制系统6后再连于变换器控制信号5所组成的控制回路；以及与功率变换器输出端相连的低压辅助电源4。功率变换器中的功率管可采用IGBT功率管；交、直流电流传感器和电压传感器均为霍尔传感器。其中交流霍尔电流传感器8有二只，和异步电机a、b、c三相输出端连接的导线，有三根导线分别穿过二只交流霍尔传感器。直流霍尔电流传感器9一只，电源系统输出直流电流，因此只要其中一根输出导线穿过直流霍尔传感器9就行。而霍尔电压传感器10则并联在电源系统直流输出端的正负输出线上。这些传感器将主回路上的电流和电压，通过磁感应原理，转变为弱电的电压信号，供给控制回路系统所用。它们与主回路都有很好的电隔离，保证主回路与控制回路之间的可靠电气隔离，控制回路系统由霍尔传感器取得的交流电流i～.，直流电流i-和直流电压V-的模拟信号进入数模转换器A/D，由它将模拟信号转换成数字信号，再送给DSP控制系统所用。根据取得的信号和本发明的瞬时电磁转矩控制策略，计算出应发出的控制信号，经由变换器控制信号5，发出6组脉冲信号去控制主回路中的功率变换器。
本发明在主回路中，删除了异步电机和功率变换器之间常用的隔离电感；在控制回路中，删除了常用的转速传感器，同时删除了电流闭环线路(此处的直流电流i-信号不作电流闭环用，只作为一种为计算瞬时电磁转矩所需要的信息。)。
本发明基于笼型异步电机的起动/发电系统，通过电力电子变换器采用直接选用最优的空间电压矢量作用于异步电机的方法控制瞬时电磁转矩，使发电机的电磁转矩的变化率尽快跟上负载电流的变化率，达到输出电压维持恒定的目的。
本控制方法的基本原理叙述如下：
发电机所产生的电磁转矩是电机进行机电能量转换的关键物理量，控制了发电机的瞬时电磁转矩，就控制了发电机在发电时的机电能量转换过程，更容易获得好的性能。当发电系统的负载变化时(如突加、突卸负载时)，负载要求的功率与发电系统输出的功率不平衡，必然要引起发电系统的输出电压的变化。以往的发电机发电系统是通过调节发电机的励磁来调节输出电压，间接的使发电机的输出功率与负载达到新的平衡，但系统的动态特性不能令人满意。本发明采用控制瞬时电磁转矩的方法的基本原理是，若能在任何情况下，使发电机的电磁转矩跟上负载电流的变化，则系统的输出电压可维持恒定。实际上，电磁转矩的变化率正比于电机的定转子磁链转差。因此，为了迅速改变电磁转矩，应尽可能快地改变电机的定、转子磁链的转差。要迅速改变该转差，实际上只要通过控制定子磁链的转速来实现。而定子磁链受空间电压矢量的影响，其影响在于定子磁链矢量的增长由所施加的电压矢量决定，即定子磁链矢量的矢尖轨迹将沿着所选电压矢量的方向运动，选择不同的空间电压矢量将使定子磁链的幅度和瞬时转速产生不同的变化，选择运动电压矢量，定子磁链矢量的矢尖就按相应的电压矢量的方向运动，选择零矢量，则停顿。因此，按照一定的规则选择恰当的空间电压矢量可控制磁链矢量按所需的运动轨迹运动。而瞬时转矩控制还须满足定子磁链幅值恒定，以保证高动态性能的条件。于是定子磁链矢量的矢尖应被控制在按圆形轨迹运动。图2所示的就是定子磁链轨迹示意图。图中分为六个不同扇区，在圆周六个不同扇区存在着各自相应的使磁链运动轨迹沿着圆周运动的最佳空间电压矢量，因为只有六个运动矢量可选，致使磁链矢量的运动轨迹实际上是如图2中所示的折线。但因为实际的控制周期极短，运动轨迹近似为圆形，保证了磁链幅值不变的条件。要迅速改变电磁转矩是通过快速改变定子磁链旋转速度达到的。改变定子磁链的旋转速度是通过选择恰当的运动矢量和插入零矢量实现的。据此，通过在每一个极短的控制周期中从八个空间电压矢量中选择最优空间电压矢量，一方面纠正定子磁链运动轨迹与给定轨迹的偏差；另一方面尽快地改变电机的转差。按照不同的扇区和磁链、转矩变化的条件，可总结出一个如下表所示的最优空间电压矢量的开关表。
| ψ、τ | θ | ||||||
| ψ | τ | θ1 | θ2 | θ3 | θ4 | θ5 | θ6 |
| 1 | 1 | V2 | V3 | V4 | V5 | V6 | V1 |
| 0 | V7 | V0 | V7 | V0 | V7 | V0 | |
| -1 | 1 | V3 | V4 | V5 | V6 | V1 | V2 |
| 0 | V0 | V7 | V0 | V7 | V0 | V7 | |
实现异步电机发电状态瞬时转矩控制的框图如图3所示。本系统的控制环节分为转矩控制环与磁链控制环，均采用乒乓(Band-Band)控制。采用圆形磁链轨迹，定子磁链的幅值给定值ψ*的大小由输出电压和其旋转转速确定。电压调压器根据检测的输出电压、及负载电流的变化，由瞬时转矩控制算法得到发电机转矩控制的给定值T*。定子磁链ψ与转矩的瞬时值T，可用电机模型观测计算得到，再分别与其给定值通过迟滞比较器比较后结合磁链所在的位置按上表来选取最优空间电压矢量。θ和τ分别为磁链环和转矩环中迟滞比较器的输出。φ＝1，要求采用使|ψs|增加的矢量，φ＝-1，则相反；τ＝1，要求转矩绝对值增大，采用运动矢量使定子磁链加速，τ＝0，则采用零矢量，使转矩绝对值减小，在θ1～θ6的每个区域中采用相应方向的电压矢量可以将磁链运动轨迹纳入在如图2所示的一定范围内，如此，通过选择合适的电压矢量并进行合理地切换，可以使得输出电磁转矩在给定值Te*和允许的偏差±ΔTe的范围内变化，并同时使磁链幅值|
ψs|保持在±Δ|
ψs|的偏差之内。
Claims (3)
1、一种瞬时转矩控制的笼型异步电机电力变换器直流起动/发电系统，其特征在于，包括异步电机(1)，功率变换器(2)和滤波电路(3)三者直接串联而组成的主回路；由交流电流传感器(8)，直流电流传感器(9)和电压传感器(10)所组成的检测回路；由数模转换器(7)连于基于数字信号处理器的控制系统(6)再与变换器控制信号(5)相连所组成的控制回路以及与功率变换器(2)输出端相连的低压辅助电源(4)，其瞬时转矩控制方法是，在每个控制周期中，直接选用最优的电力电子变换器的空间电压矢量作用于异步电机来控制电机的瞬时电磁转矩。
2、根据权利要求1所述的瞬时转矩控制的笼型异步电机电力电子变换器直流起动/发电系统，其特征在于发电状态下瞬时转矩控制方法是测量输出电流和电压的变化，来确定所需瞬时转矩的大小，控制其瞬时转矩的变化，与负载需求相平衡，保证输出电压不变。
3、依据权利要求1或2所述的瞬时转矩控制的笼型异步电机电力电子变换器直流起动/发电系统，其特征在于：发电状态下瞬时转矩控制方法是，在每个控制周期中，根据定子磁链矢量运动的圆形轨迹的六个不同扇区，选择最佳的空间电压矢量，同时保证了磁链矢量按所需的圆形轨迹运动和瞬时转矩的快速变化。
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