CN102163936A - 能量回馈的电流矢量控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种驱动电机回馈装置的控制装置及控制方法,特别是一种驱动电机能量回馈的电流矢量控制装置,包括逆变电路,所述电流矢量控制装置还包括clarke变换模块、相位与幅值计算模块、Park变换模块、PI调节器、反Park变换模块、空间电压矢量调制模块和驱动电路。优点:本发明具有实现了有功电流和无功电流独立控制,电流响应时间短,控制精度和功率因素高,能够准确跟踪电网电压,对电网谐波污染低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动电机回馈装置的控制装置及控制方法,特别是一种驱动电机能量回馈的电流矢量控制装置。
背景技术
变频器已广泛应用于工农业生产的各个领域,以驱动电机或作为变频电源使用。通用变频器大多为电压型交-直-交变频器,这种拓扑结构使得变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速场合。因为当电机减速、制动时,电机处于再生发电状态,不控整流器能量传输不可逆,产生的再生电能传输到并不断积存在直流侧滤波电容上,产生泵升电压,过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容,从而威胁变频器安全工作,这就限制了其应用范围。通过有源逆变的方法将再生能量及时高效的回馈到电网里,则既节能降耗,又可解决泵升电压的问题,拓宽通用变频器应用范围。现有的能量回馈制动装置采用根据电流上下设定值进行功率管Bang-Bang切换的方案,虽然控制方式和控制电路比较简单,但回馈电流的控制精度和质量难以保证,从而造成***的动态性能和抗干扰性能较差;或者是采样电网电压,捕获电压的过零点,进行回馈电流的控制,这种方法存在过零点检测不准的问题,影响***的控制效果。
发明内容
本发明的目的就是为了避免背景技术中的不足之处,提供一种响应时间快,控制精度和功率因素高,能够准确跟踪电网电压,对电网谐波污染低等特点的能量回馈的电流矢量控制装置。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:能量回馈的电流矢量控制装置,包括逆变电路,逆变电路输出电压U、V、W分别与电抗器L一端联接,电网三相电压R、S、T分别与电抗器L另一端联接,高频滤波电容C与位于滤波电抗器L和电网三相电压R、S、T之间接线联接,所述电流矢量控制装置还包括clarke变换模块、相位与幅值计算模块、Park变换模块、PI调节器、反Park变换模块、空间电压矢量调制模块和驱动电路,电网三相电压的Usa、Usb和Usc的电压输出端分别与clarke变换模块连接,clarke变换模块的输出端Usα和输出端Usβ与相位与幅值计算模块连接,相位与幅值计算模块的输出端θ与Park变换模块连接,输出端e与PI调节器连接,电抗器上回馈电流Ia和Ib的电流输出端分别与clarke变换模块连接,clarke变换模块、Park变换模块、PI调节器、相位与幅值计算模块、反Park变换模块、空间电压矢量调制模块和驱动电路依次连接形成回路。
对于本发明的一种优化,逆变电路母线电压Udc输出端与PI调节器连接。
对于本发明的一种优化,相位与幅值计算模块的输出端θ与反Park变换模块连接,
对于本发明的一种优化,所述PI调节器由母线电压调节器和无功电流调节器构成,母线电压调节器内设有模糊控制器,无功电流调节器内设有PID调节器。
本发明能量回馈的电流矢量控制方法,其整个处理采样包括以下步骤:
1)Usa、Usb和Usc为电网三相电压,经过clarke变换得出静止坐标系下Usα和Usβ:
2)通过对Usα和Usβ经过相位与幅值计算模块求反正切,得出角度θ,同时可以计算出电压幅值e:
3)Ia和Ib为电抗器上的回馈电流,电流的clarke变换为:
因为Ia+Ib+Ic=0,所以上式可以简化为:
4)电流的park变换为:
5)逆变器输出电压的d-q轴分量Ud和Uq是:
Ud=LI′d+RLId-ωLIq+ed
Uq=LI′q+RLIq+ωLId+eq
其中L为电感大小,RL为电感的电阻值,ed和eq为电网电压的d-q轴分量。因为电抗器的电阻很小,可以忽略不计;同时以电网电压定向,所以有eq=0,Id和Iq都是直流量,所以公式可以简化为:
Ud=-ωLIq+ed
Uq=ωLId
6)输出电压的反park变换:
根据Uα、Uβ电压,通过空间电压矢量调制模块对输出电压进行调制,最后发送驱动信号使回馈装置工作。
本发明与背景技术相比,具有实现了有功电流和无功电流独立控制,电流响应时间短,控制精度和功率因素高,能够准确跟踪电网电压,对电网谐波污染低等特点。
附图说明
图1是能量回馈的电流矢量控制装置控制框图。
图2是PI调节器的母线电压调节器部分。
图3是PI调节器的无功电流调节器部分。
图4是电流矢量控制装置的电压电流矢量图。
图5是能量回馈装置启动网侧电压电流波形图。
图6是能量回馈装置稳态时网侧电压电流相位关系图。
图7是能量回馈装置和变频器并机工作母线电压电流波形图。
下面将结合实施例参照附图对本发明进行详细说明。
具体实施方式
实施例1:参照图1~3。能量回馈的电流矢量控制装置,包括逆变电路,包括逆变电路,逆变电路输出电压U、V、W分别与电抗器L一端联接,电网三相电压R、S、T分别与电抗器L另一端联接,高频滤波电容C与位于滤波电抗器L和电网三相电压R、S、T之间接线联接,所述电流矢量控制装置还包括clarke变换模块、相位与幅值计算模块、Park变换模块、PI调节器、反Park变换模块、空间电压矢量调制模块和驱动电路,电网三相电压的Usa、Usb和Usc的电压输出端分别与clarke变换模块连接,clarke变换模块的输出端Usα和输出端Usβ与相位与幅值计算模块连接,相位与幅值计算模块的输出端θ与Park变换模块连接,输出端e与PI调节器连接,电抗器上回馈电流Ia和Ib的电流输出端分别与clarke变换模块连接,clarke变换模块、Park变换模块、PI调节器、相位与幅值计算模块、反Park变换模块、空间电压矢量调制模块和驱动电路依次连接形成回路。逆变电路母线电压Udc输出端与PI调节器连接。相位与幅值计算模块的输出端θ与反Park变换模块连接。
实施例2:参照图1~4。能量回馈的电流矢量控制方法,其整个处理采样包括以下步骤:
1)Usa、Usb和Usc为电网三相电压,经过clarke变换得出静止坐标系下USα和Usβ:
2)通过对Usα和Usβ经过相位与幅值计算模块求反正切,得出角度θ,同时可以计算出电压幅值e:
3)Ia和Ib为电抗器上的回馈电流,电流的clarke变换为:
因为Ia+Ib+Ic=0,所以上式可以简化为:
4)电流的park变换为:
5)逆变器输出电压的d-q轴分量Ud和Uq是:
Ud=LI′d+RLId-ωLIq+ed
Uq=LI′q+RLIq+ωLId+eq
其中L为电感大小,RL为电感的电阻值,ed和eq为电网电压的d-q轴分量。因为电抗器的电阻很小,可以忽略不计;同时以电网电压定向,所以有eq=0,Id和Iq都是直流量,所以公式可以简化为:
Ud=-ωLIq+ed
Uq=ωLId
6)输出电压的反park变换:
根据Uα、Uβ电压,通过空间电压矢量调制模块对输出电压进行调制,最后发送驱动信号使回馈装置工作。
实施例3:参照图4。因为电抗器忽略了内阻,所以电流滞后电压90°,其中为逆变器输出电压,为电网电压。逆变器输出的电压d轴分量Ud和相等时,Iq=0;此时通过调节Uq,就可以控制Id大小。这样就可以实现有功电流和无功电流的独立控制。
实施例4:参照图1~3。所述PI调节器由母线电压调节器和无功电流调节器构成,母线电压调节器内设有模糊控制器,无功电流调节器内设有PID调节器。当变频器带大惯量负载停车制动时,母线电压Udc同时升高,当udc大于能量回馈装置设定的工作阈值时,能量回馈装置也投入工作。此时直流侧的电解电容上的能量变化分为两部分:电机制动能量经IGBT的反向二极管整流输入,功率为P1;经回馈装置输出到电网,功率为P2。此时当P1>P2,Udc持续上升;P1<P2,Udc减小;P1=P2,Udc不变化。由此可见,在回馈装置工作的时候,母线电压Udc波动很大,如果选择普通的PI调节器,调节器输出很难收敛稳定,从而引起***振荡。鉴于此,选择了模糊控制器来调节。
因为能量回馈装置要求功率因数达到-1,即回馈的电流和电网电压相位相差180°,所以有功电流分量无功电流分量同时要求回馈装置在母线电压超过回馈启动阈值时,响应时间要短,回馈电流的幅值和相位要快速收敛到给定值。为了到达响应速度尽可能快的目的,我们将采样的电网瞬时电压Udc加到PI调节器输出上。这样做的目的是:一是在回馈单元刚投入工作时,无需PI调节器调节就有一个和电网电压同幅同相的电压输出,加快了PI调节器的收敛速度,同时也避免电网电压突加造成过流现象。二是因为e是电网电压的瞬时幅值,所以也可以克服电网电压波动造成输出电流振荡甚至过流的影响,改善了输出电流波形,提高了***的稳定性。
实施例5:参照图5。应用本发明的方法研制了一台额定电压380V、额定回馈电流为10A的能量回馈装置。从能量回馈装置启动网侧电压电流波形图中可以看出,仅需要两个工频周期,回馈电流就可以收敛到给定电流大小,响应时间为40ms,充分满足变频器停车制动需要的响应速度。分析响应时间短,响应速度快的原因:1.输出电压加入了该时刻的网侧电压大小,无需PI调节器调节;2.电流矢量控制,Id和Iq独立控制调节,两个电流环同时作用。
实施例6:参照图6。电流给定为额定电流10A,为了观测方便利于对比,将电流波形反相进行观测。网侧电压和电流(经过反相)之间的相位差仅为7°以内,功率因素很高,约为0.95以上。
实施例7:参照图7。将该能量回馈装置与变频器进行并机实验,变频器型号规格为:功率18.5kW,额定电压380V,额定电流为37A,该变频器带一台45kW的电机空载运行。当母线电压高于回馈开启阈值时,回馈装置工作,母线电压马上跌落;同时电机仍往母线端回馈能量,且电机往母线端回馈的功率大于回馈装置往电网侧回馈的功率,母线电压上升。当母线电压上升到一定值后,回馈装置增加回馈的电流,此时电机往母线端回馈的功率小于回馈装置往电网侧回馈的功率,母线电压下降,直到停止回馈。实验证明,该能量装置的响应速度和功率因数都满足要求,同时证明了本发明提出的方法是可行有效的。
需要理解到的是:本实施例虽然对本发明作了比较详细的说明,但是这些说明,只是对本发明的简单说明,而不是对本发明的限制,任何不超出本发明实质精神内的发明创造,均落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种能量回馈的电流矢量控制装置,包括逆变电路,逆变电路输出电压U、V、W分别与电抗器L一端联接,电网三相电压R、S、T分别与电抗器L另一端联接,高频滤波电容C与位于滤波电抗器L和电网三相电压R、S、T之间接线联接,其特征是:所述电流矢量控制装置还包括clarke变换模块、相位与幅值计算模块、Park变换模块、PI调节器、反Park变换模块、空间电压矢量调制模块和驱动电路,电网三相电压的Usa、Usb和Usc的电压输出端分别与clarke变换模块连接,clarke变换模块的输出端Usα和输出端Usβ与相位与幅值计算模块连接,相位与幅值计算模块的输出端θ与Park变换模块连接,输出端e与PI调节器连接,电抗器上回馈电流Ia和Ib的电流输出端分别与clarke变换模块连接,clarke变换模块、Park变换模块、PI调节器、相位与幅值计算模块、反Park变换模块、空间电压矢量调制模块和驱动电路依次连接形成回路。
2.根据权利要求1所述的能量回馈的电流矢量控制装置,其特征是:逆变电路母线电压Udc输出端与PI调节器连接。
3.根据权利要求1所述的能量回馈的电流矢量控制装置,其特征是:相位与幅值计算模块的输出端θ与反Park变换模块连接。
4.根据权利要求1所述的能量回馈的电流矢量控制装置,其特征是:所述PI调节器由母线电压调节器和无功电流调节器构成,母线电压调节器内设有模糊控制器,无功电流调节器内设有PID调节器。
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CN103259284A (zh) * | 2013-04-22 | 2013-08-21 | 华中科技大学 | 基于锁相环的电压矢量稳定器及其控制方法 |
CN105958521A (zh) * | 2016-05-31 | 2016-09-21 | 湖南华大紫光科技股份有限公司 | 统一能量控制*** |
CN106099978A (zh) * | 2016-07-07 | 2016-11-09 | 许继集团有限公司 | 用于无功补偿的地铁制动能量回馈装置、控制方法 |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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