CN102163936A - 能量回馈的电流矢量控制装置 - Google Patents

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

能量回馈的电流矢量控制装置

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U_sa、U_sb和U_sc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U_sα和输出端U_sβ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I_a和I_b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)U_sa、U_sb和U_sc为电网三相电压，经过clarke变换得出静止坐标系下U_sα和U_sβ：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α}}\\ U_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sa}}\\ U_{\mathrm{sb}}\\ U_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]$

2)通过对U_sα和U_sβ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：

$\mathrm{\θ}=a\tan \left(\frac{U_{\mathrm{s\β}}}{U_{\mathrm{s\α}}}\right)$

$e=\sqrt{U_{\mathrm{s\α}}^2+U_{\mathrm{s\β}}^2}$

3)I_a和I_b为电抗器上的回馈电流，电流的clarke变换为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]$

因为I_a+I_b+I_c＝0，所以上式可以简化为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\end{array}\right]$

4)电流的park变换为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

5)逆变器输出电压的d-q轴分量U_d和U_q是：

U_d＝LI′_d+R_LI_d-ωLI_q+e_d

U_q＝LI′_q+R_LI_q+ωLI_d+e_q

其中L为电感大小，R_L为电感的电阻值，e_d和e_q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e_q＝0，I_d和I_q都是直流量，所以公式可以简化为：

U_d＝-ωLI_q+e_d

U_q＝ωLI_d

6)输出电压的反park变换：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]$

根据U_α、U_β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U_sa、U_sb和U_sc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U_sα和输出端U_sβ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I_a和I_b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)U_sa、U_sb和U_sc为电网三相电压，经过clarke变换得出静止坐标系下U_Sα和U_sβ：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\α}}\\ U_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sa}}\\ U_{\mathrm{sb}}\\ U_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]$

2)通过对U_sα和U_sβ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：

$\mathrm{\θ}=a\tan \left(\frac{U_{\mathrm{s\β}}}{U_{\mathrm{s\α}}}\right)$

$e=\sqrt{U_{\mathrm{s\α}}^2+U_{\mathrm{s\β}}^2}$

3)I_a和I_b为电抗器上的回馈电流，电流的clarke变换为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]$

因为I_a+I_b+I_c＝0，所以上式可以简化为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\end{array}\right]$

4)电流的park变换为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

5)逆变器输出电压的d-q轴分量U_d和U_q是：

U_d＝LI′_d+R_LI_d-ωLI_q+e_d

U_q＝LI′_q+R_LI_q+ωLI_d+e_q

其中L为电感大小，R_L为电感的电阻值，e_d和e_q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e_q＝0，I_d和I_q都是直流量，所以公式可以简化为：

U_d＝-ωLI_q+e_d

U_q＝ωLI_d

6)输出电压的反park变换：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]$

根据U_α、U_β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U_d和

相等时，I_q＝0；此时通过调节U_q，就可以控制I_d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U_sa、U_sb和U_sc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U_sα和输出端U_sβ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I_a和I_b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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