CN102868355A

CN102868355A - 感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法

Info

Publication number: CN102868355A
Application number: CN2012103205038A
Authority: CN
Inventors: 陈鑫兵; 杜恩利; 张贞飞; 顾季蒙
Original assignee: Changzhou Lianli Automation Technology Co Ltd
Current assignee: Changzhou Lianli Automation Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明涉及电机控制领域，特别是一种在辨识电机参数时控制直流母线电容电压均衡的方法。在辨识感应电机参数时，通过检测逆变器两个直流母线电容上的电压，然后控制器将两个电压进行比较，在不影响辨识电机参数的前提下选择合适的开关状态对电压较高的直流母线电容进行放电，从而保持两个直流母线电容均压。采用上述方法后，在保证能正常进行感应电机参数辨识试验的基础上，可以简单的通过控制器调节逆变器的开关状态，对直流母线电容电压较高的进行放电，控制直流母线电压成均压。

Description

感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是一种在辨识电机参数时控制直流母线电容电压均衡的方法。

背景技术

二极管箝位三电平逆变器因具有主功率电路IGBT耐压低、输出电压谐波含量小等特点而广泛应用于高压、大功率PWM整流及逆变场合，而矢量控制将电机的励磁电流和转矩电流解耦，用转子磁场定向方法实现转矩的瞬时控制，因此三电平逆变器供电的异步电机矢量控制比较适合高性能的高压大功率变频调速度场合。但是矢量控制需要辨识电机参数，而电机参数辨识算法需要合适的逆变器控制方法，当三电平逆变器直流母线电容不均压时，上、下电容中一个电容电压小于一半的直流母线电压，而另外一个电容电压大于一半的直流母线电压，因此电压大于一半直流母线电压的电容增加了IGBT管子电压应力又使电机参数难以准确辨识，因此电机参数辨识时三电平逆变器直流母线电容的均压控制相当重要。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何在保证准确辨识电机参数的前提下控制逆变器直流母线电容均压。

为解决上述的技术问题，本发明感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法包括以下步骤，

a,通过控制器选择逆变器的开关状态，对电机分别进行直流试验和单相试验，通过试验数据计算电机参数；

b,在感应电机参数辨识试验过程中，通过检测装置分别检测直流母线电容C1和C2两端的电压；

c,判断直流母线电容C1两端的电压是否大于C2两端的电压，如果是，则进入步骤d；如果否，则进入步骤e；

d,在保证感应电机参数识别试验的反馈电流可以跟踪给定电流的基础上，通过控制器选择逆变器的开关状态给直流母线电容C1放电，返回步骤b；

e,在保证感应电机参数识别试验的反馈电流可以跟踪给定电流的基础上，通过控制器选择逆变器的开关状态给直流母线电容C2放电,返回步骤b。

进一步的，所述步骤a中电机参数辨识试验采用的逆变器为二极管箝位型三电平逆变器。

进一步的，定义二极管箝位型三电平逆变器每相电路上逆变器开关状态如下：当Sx1、Sx2导通，Sx3、Sx4关断时记为P状态；Sx2、Sx3导通,Sx1、Sx4关断时记为O状态；Sx1、Sx2关断Sx3、Sx4导通时记为N状态；所述步骤a中逆变器选用三种开关状态分别为PNN、NPN、NNP。

进一步的，所述步骤d中给直流母线电容C1放电时，逆变器选用的开关状态为POO、OOP、OPO三种状态之一。

进一步的，所述步骤e中给直流母线电容C2放电时，逆变器选用的开关状态为PNN、NNP、NPN三种状态之一。

进一步的，步骤b中所述检测装置为霍尔电压传感器。

采用上述方法后，在保证能正常进行感应电机参数辨识试验的基础上，可以简单的通过控制器调节逆变器的开关状态，对直流母线电容电压较高的进行放电，控制直流母线电压成均压。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为三电平逆变器供电的异步电机简化***原理图。

图2为电机参数辨识时三相绕组中的一相处于开路状态的电路原理图。

图3为电机参数辨识时三相绕组中的两相绕组短接的电路原理图。

图4a为P状态下逆变器IGBT开关状态示意图。

图4b为O状态下逆变器IGBT开关状态示意图。

图4c为N状态下逆变器IGBT开关状态示意图。

图5a为PNN状态电流流向示意图。

图5b为NPN状态电流流向示意图。

图5c为NNP状态电流流向示意图。

图6为电机参数辨识方法的结构框图。

图7a为POO状态电流流向示意图。

图7b为OPO状态电流流向示意图。

图7c为OOP状态电流流向示意图。

图8为电机参数辨识中均压控制实验波形。

具体实施方式

本发明是一种工程上实用的异步电机参数辨识时直流母线电容均压控制方法，本发明采用的逆变器为二极管箝位型三电平逆变器。图1为三电平逆变器供电的异步电机简化***原理图，图中异步电机用三相绕组模型代替。

目前常用的异步电机参数辨识方法主要为利用直流试验测试定子电阻，堵转试验（通过单相试验实现）辨识定、转子漏感和转子电阻，空载试验辨识定、转子间的互感。在一些情形中辨识电机参数时不能旋转电机，需要在停转下获得主电感和转子时间常数，这些试验基本全在单相试验中完成，因此，直流试验和单相试验能辨识异步电机的所有参数。本发明分别以直流试验和单相试验的工作原理分析了二极管箝位型三电平逆变器母线电容电压的工作状态及不平衡原因，针对不平衡提出一种控制策略，该控制策略既能解决直流母线电容的不均衡，同时又能提高电机参数辨识方法的精度。

当采用二极管箝位型三电平逆变器进行直流试验或者单相试验时，三电平逆变器的开关状态没有按照传统的动态正常工作时的PWM方式进行调制，而是采用静态下某些开关一直处于开通状态或者关断状态，这种调制方法由于开关状态选择的局限性不能按照传统的直流母线电容电压平衡策略去控制均压。为了说明异步电机参数辨识过程与三电平逆变器直流母线电容电压之间的关系，将参数辨识过程归结为直流试验和单相试验。直流试验时为了得到辨识需要的直流电压，将电机U,V,W三相绕组中的一相绕组处于开路状态（如图2所示）或者将两相(V,W或者U,V或者U,W)桥臂的控制信号相同，即将电机的两相绕组短接，如图3所示，向电机施加直流信号，该直流电压信号的幅值为直流母线电压乘以开关的占空比。

单相试验是在直流试验基础上将给定电流叠加交流信号，其逆变器驱动方式与直流试验时的驱动方式相同，因此在此将单相试验等效为直流试验。参数辨识时主功率电路等效为如图3所示。

所以，本发明的步骤a通过控制器选择逆变器的开关状态，对电机分别进行直流试验和单相试验，通过试验数据计算电机参数。以U相电路为例对图1中的开关状态进行定义：当Sa1,Sa2导通Sa3,Sa4关断时记为P状态，Sa2,Sa3导通Sa1,Sa4关断时记为O状态，Sa1,Sa2关断Sa3,Sa4导通时记为N状态，三相的开关状态如表1所示。图4a、图4b、图4c为P、O、N对应开关状态下逆变器IGBT开关状态。

表1三电平逆变器的开关状态(x=a,b,c)

开关状态	S_x1	S_x2	S_x3	S_x4
					P	ON	ON	OFF	OFF
O	OFF	ON	ON	OFF
					N	OFF	OFF	ON	ON

当进行直流试验时，一般选用三种状态分别进行试验，然后对三种状态的试验结果求取平均值即可得到电机参数，这三种状态分别为PNN，NPN，NNP，其中PNN状态的电流路径为：C1正极—Sa1—Sa2—U相电机绕组—绕组中性点N—V相绕组(并联W相绕组)—Sb3—Sb4(并联Sc3—Sc4)—C2负极；另一条电流回路为：C2正极—箝位二极管D5—Sa2—U相电机绕组—绕组中性点N—V相绕组(并联W相绕组)—Sb3—Sb4(并联Sc3—Sc4)—C2负极，其电流流向如图5a所示，回路的负载阻抗为：(Rsa+ω*Lsa)+(Rsb+ωLsb)//(Rsb+ωLsb)，其中Rsa为电机绕组的等效电阻；Lsa为绕组的自感；ω为流过电机绕组的电流频率。同样可以得到NPN状态和NNP的电流路径，NPN状态的电流路径为：C1正极—Sb1—Sb2—V相电机绕组—绕组中性点N-U相绕组(并联W相绕组)—Sa3—Sa4(并联Sc3—Sc4)—C2负极；另一条电流回路为：C2正极—箝位二极管—Sb2—V相电机绕组—绕组中性点N-UU相绕组(并联W相绕组)—Sa3—Sa4(并联Sc3—Sc4)—C2负极，其电流流向如图5b所示，NNP状态的电流路径为：C1正极—Sc1—Sc2—W相电机绕组—绕组中性点N—U相绕组(并联V相绕组)—Sa3—Sa4(并联Sb3—Sb4)—C2负极；另一条电流回路为：C2正极—箝位二极管—Sc2—W相电机绕组—绕组中性点N—U相绕组(并联V相绕组)—Sa3—Sa4(并联Sb3—Sb4)—C2负极，其电流流向如图5c所示，从图中可以看到这三种状态都有两个放电回路，这将导致下电容放电速度快于上电容，上下电容逐渐趋向不平衡状态，且随着工作时间及励磁电流的增大下电容将出现完全放电，而上电容充满母线电压，使电路不能正常工作。

同理也可以得到单相试验的开关状态及电流流向，在单相试验中，可以选取电机的两相绕组作为回路或者将电机两个绕组并联后作为一条回路，其开关状态和直流试验一致，只是单相试验中的电流参考值含有交流成分。

为了确定直流母线电容上电压的大小，本发明方法的步骤b在感应电机参数辨识试验过程中，通过检测装置分别检测直流母线电容C1和C2两端的电压。这里检测装置采用霍尔电压传感器。

然后通过步骤c判断直流母线电容C1两端的电压是否大于C2两端的电压，如果是，则进入步骤d；如果否，则进入步骤e。

d,在保证感应电机参数识别试验的反馈电流可以跟踪给定电流的基础上，通过控制器选择逆变器的开关状态给直流母线电容C1放电，返回步骤b。

结合图6及电机参数辨识基本原理，可以看出，参数辨识过程中由于补偿网络的存在，开关切换不能引起电流方向的改变，如果电流方向改变将引起补偿网络不能正常工作。所以步骤d和步骤e中选择逆变器开关状态时，必须保证感应电机参数辨识试验的补偿网络反馈电流可以跟踪给定电流。因为当进行试验时，选用状态PNN，NPN，NNP分别进行试验，然后对三种状态的试验结果求取平均值即可得到电机参数。因此，当辨识中选取PNN,NNP,NPN开关方式作为直流或单相试验时，需要考虑上电容电压大于下电容电压，要使上、下电容均压必须在选择PNN,NNP,NPN状态方式时在安排其他开关状态以使上电容放电，但是开关状态的选取又不能引起电机绕组电流的突变，基于此分析，可以选取POO,OOP,OPO作为上电容放电回路，POO,OOP,OPO三种状态的电流路径分别如图7a、图7b和图7c所示，选取这些开关状态将使上电容C1处于放电状态。所以选择PNN,NNP,NPN状态方式时，步骤d中选择POO,OOP,OPO三种状态中的一种给电容C1放电。同理，当检测到直流母线电容C2上的电压大于C1上的电压时，步骤e中选择PNN、NNP、NPN三种状态中的一种给电容C2放电。

因此，通过反复调节开关状态能够使母线电容电压的均衡。由于当变频器直接连接到电网上时，其直流母线电压很高，这么高的电压不可能直接加在电机定子绕组上，因此需要对直流母线电压进行斩波控制，得到一个平均值很低、占空比随补偿网络调节的高频电压脉冲序列，这个直流电压经过电机绕组后有很小的脉动成分，难以用电压传感器精确测量，在为了精确计算绕组电阻及电抗，在此通过检测母线电压和开关占空比大小来计算电机绕组压降，同时计算过程考虑逆变器IGBT的导通压降。图8为电机参数辨识中均压控制实验波形。采用此方法不但做到母线电容的完全平衡控制，而且很精确的计算电机参数。

Claims

1.一种感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.按照权利要求1所述的感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法，其特征在于：所述步骤a中电机参数辨识试验采用的逆变器为二极管箝位型三电平逆变器。

3.按照权利要求2所述的感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法，其特征在于，

定义二极管箝位型三电平逆变器每相电路上逆变器开关状态如下：当Sx1、Sx2导通，Sx3、Sx4关断时记为P状态；Sx2、Sx3导通,Sx1、Sx4关断时记为O状态；Sx1、Sx2关断Sx3、Sx4导通时记为N状态；所述步骤a中逆变器选用三种开关状态分别为PNN、NPN、NNP。

4.按照权利要求3所述的感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法，其特征在于：所述步骤d中给直流母线电容C1放电时，逆变器选用的开关状态为POO、OOP、OPO三种状态之一。

5.按照权利要求3所述的感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法，其特征在于：所述步骤e中给直流母线电容C2放电时，逆变器选用的开关状态为PNN、NNP、NPN三种状态之一。

6.按照权利要求1所述的感应电机参数辨识的直流母线电容均压控制方法，其特征在于：步骤b中所述检测装置为霍尔电压传感器。