CN108696204A - 矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***及其工作方法，包括：第一电源电路，第一电源电路与三相电压连接；第二电源电路，第二电源电路与三相电压连接；永磁电机，永磁电机分别与第一电源电路及第二电源电路连接；采样模块，采样模块与永磁电机连接；主控模块，主控模块与采样模块连接；驱动模块，驱动模块连接主控模块与第一电源电路及第二电源电路。本发明的有益效果如下：将永磁同步电机的中性点打开，形成一个具有双端口的开绕组结构，并将这种开绕组永磁同步电机作为矿用电机车的驱动电机，可达到高启动转矩的要求，提高驱动***的启动特性；采用两个变换器分别连接开绕组永磁同步电机的两端，提高***的稳定性，减低故障率。

Description

矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***及其工作方法
技术领域
本发明属于大功率交流调速领域，特别涉及一种矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***及其工作方法。
背景技术
考虑到在煤炭行业，矿井的工作条件恶劣，对电动机的防爆、防尘和防潮等特殊指标有很严格的要求，将开绕组永磁同步电机用作为矿用电机车的驱动电机。不仅具有很好的启动特性，还能够有效减低故障率，降低运行费用，同时开绕组永磁同步电机***效率比异步电动机要高15％-20％，满足大功率交流调速的需求。
开绕组永磁同步电机与变换器组成矿山牵引用驱动***。现有的拓扑是两台变换器共用一个单电源供电，容易产生较大的零序电流，需要添加零序电抗器加以抑制。另外，大多数的变换器采用两电平拓扑。在高压大功率调速领域，针对两电平变换器的不足，须采用多电平来提高输出电压。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***及其工作方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***包括：第一电源电路，第一电源电路与三相电压连接；第二电源电路，第二电源电路与三相电压连接；永磁电机，永磁电机分别与第一电源电路及第二电源电路连接；采样模块，采样模块与永磁电机连接；主控模块，主控模块与采样模块连接；驱动模块，驱动模块连接主控模块与第一电源电路及第二电源电路。
优选地，第一电源电路包括依次连接的第一隔离变压器、第一熔断器、第一电抗器、第一不可控整流桥、第一预充电阻及第一三电平变换器；其中第一隔离变压器与三相电压连接；永磁电机与第一三电平变换器连接；驱动模块与第一三电平变换器连接。
优选地，，第二电源电路包括依次连接的第二隔离变压器、第二熔断器、第二电抗器、第二不可控整流桥、第二预充电阻及第二三电平变换器；其中第二隔离变压器与三相电压连接；永磁电机与第二三电平变换器连接；驱动模块与第二三电平变换器连接。
优选地，，采样模块包括第一电压电流采样调理板及第二电压电流采样调理板；其中第一电压电流采样调理板及第二电压电流采样调理板分别连接永磁电机及主控模块。
优选地，，驱动模块包括第一驱动板及第二驱动板；其中第一驱动板连接第一三电平变换器及主控模块；第二驱动板连接第二三电平变换器及主控模块。
一种矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***的工作方法，包括如下步骤：
步骤1，获得开绕组永磁同步电机的离散矩阵方程；
步骤2，将离散矩阵方程代入扩展卡尔曼滤波算法中，得到永磁同步电机的转子角度θ；
步骤3，将永磁同步电机的转子角度θ代入dq/αβ变换和αβ/dq变换中，对永磁同步电机进行控制；其中dq/αβ是dq坐标系向αβ坐标系的转换；αβ/dq是αβ坐标系向dq坐标系的转换。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，建立开绕组永磁同步电机的状态方程，状态方程为：
步骤1.2，将状态方程转换成矩阵方程，矩阵方程为：
式中
x＝(id，iq，ω，θ)T
u＝(ud，uq)T
y＝(id，iq)T
步骤1.3，对矩阵方程进行离散化处理，得到离散矩阵方程，离散矩阵方程为：
其中
其中，p为永磁同步电机的磁极数，id为永磁同步电机的d轴电流分量，iq为永磁电机的q轴电流分量，R为永磁同步电机的定子电阻，Ld为永磁同步电机的d轴电感分量，Lq为永磁同步电机的q轴电感分量，ω为永磁同步电机的角速度，ud为永磁同步电机的d轴电压分量，uq为永磁同步电机的q轴电压分量，ψf为永磁同步电机的磁链，J为永磁同步电机的转动惯量，np为永磁同步电机的磁极对数，Te为永磁同步电机的电磁转矩，Tm为永磁同步电机的机械转矩，θ为永磁同步电机的转子角度，t为时间，x(k)为k时刻的(id，iq，ω，θ)T的状态变量，x(k+1)为k+1时刻的(id，iq，ω，θ)T的状态变量，y(k)为k时刻的(id，iq)T的状态变量，y(k+1)为k+1时刻的(id，iq)T的状态变量。
优选地，步骤2包括：
步骤2.1，建立滤波误差方差阵，滤波误差方差阵为：
其中，u(k)作为k时刻的输入，为k时刻的状态估计值，为k+1时刻的状态矢量，y(k+1)作为k+1时刻的输出，为k+1时刻的状态矢量，K(k+1)为k+1时刻的最优增益矩阵方程，
R为协方差矩阵，C(k+1)为k+1时刻C的矩阵，CT(k+1)为k+1时刻C的转换矩阵。
为k+1时刻的误差协方差矩阵预测值，满足：
为k+1时刻的估计误差协方差矩阵。
步骤2.2，通过滤波误差方差阵得到永磁同步电机的转子角度θ。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)将永磁同步电机的中性点打开，形成一个具有双端口的开绕组结构，并将这种开绕组永磁同步电机作为矿用电机车的驱动电机，可达到高启动转矩的要求，提高驱动***的启动特性；
2)采用两个变换器分别连接开绕组永磁同步电机的两端，提高***的稳定性，减少维修工作量，减低故障率，降低运行费用；
3)第一三电平变换器及第二三电平变换器单独供电，即两个变换器的直流侧单独供电，避免了产生零序电流；
4)采用双边电源供电的三电平拓扑，输出电压等效为五电平，电流谐波含量与两电平、三电平相比明显减少，输出波形更接近于正弦波，提高调速***的可靠性；
5)采用扩展卡尔曼滤波算法实现开绕组永磁同步电机驱动***的实时控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明的***结构示意图；
图2为本发明的三电平拓扑结构示意图；
图3为本发明的不可控整流桥示意图；
图4为本发明的控制方法示意图；
图5为本发明的扩展卡尔曼滤波算法的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1～图5所示，实现本发明一种基于三电平变换器的双边电源供电的矿山牵引用开绕组永磁电机驱动***及其控制方法，实现该驱动***连接方式如下：
一、主电路部分由三相电压1分别和第一隔离变压器12及第二隔离变压器22相连、第一隔离变压器12及第二隔离变压器22分别与第一熔断器13及第二熔断器23相连、第一熔断器13及第二熔断器23分别与第一电抗器14及第二电抗器24相连。第一熔断器13及第二熔断器23实现了双边电源供电功能。
二、第一电抗器14及第二电抗器24分别与第一不可控整流桥15及第二不可控整流桥25相连，实现了双边直流电源功能。
三、第一不可控整流桥15及第二不可控整流桥25分别与第一预充电阻16及第二预充电阻26相连，第一预充电阻16及第二预充电阻26分别与第一三电平变换器17及第二三电平变换器27相连，形成六相交流电。
四、第一三电平变换器17及第二三电平变换器27分别与永磁电机9相连，为永磁电机9供电。
五、永磁电机9分别与第一电压电流采样调理板18及第二电压电流采样调理板28相连，采集相应的电压与电流信号。
六、第一电压电流采样调理板18及第二电压电流采样调理板28分别与主控模块11相连，将采集的电压电流信号传送到主控模块11，完成相关算法计算。
七、主控模块11分别与第一驱动板19及第二驱动板29相连。
八、第一驱动板19与第一三电平变换器17相连，第二驱动板29与第二三电平变换器27相连，第一驱动板19和第二驱动板29分别为第一三电平变换器17与第二三电平变换器27提供PWM驱动信号。
实现基于三电平变换器的双边电源供电的矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***工作的控制方法步骤如下：
步骤1、建立开绕组永磁同步电机的的状态方程：
将状态方程和输出方程写成如下矩阵形式：
式中
x＝(id，iq，ω，θ)T
u＝(ud，uq)T
y＝(id，iq)T
将矩阵方程进行离散化：
其中
其中，p为永磁同步电机的磁极数，id为永磁同步电机的d轴电流分量，iq为永磁电机的q轴电流分量，R为永磁同步电机的定子电阻，Ld为永磁同步电机的d轴电感分量，Lq为永磁同步电机的q轴电感分量，ω为永磁同步电机的角速度，ud为永磁同步电机的d轴电压分量，uq为永磁同步电机的q轴电压分量，ψf为永磁同步电机的磁链，J为永磁同步电机的转动惯量，np为永磁同步电机的磁极对数，Te为永磁同步电机的电磁转矩，Tm为永磁同步电机的机械转矩，θ为永磁同步电机的转子角度，t为时间，x(k)为k时刻的(id，iq，ω，θ)T的状态变量，x(k+1)为k+1时刻的(id，iq，ω，θ)T的状态变量，y(k)为k时刻的(id，iq)T的状态变量，y(k+1)为k+1时刻的(id，iq)T的状态变量。
步骤2、建立滤波误差方差阵，滤波误差方差阵为：
其中，u(k)作为k时刻的输入，为k时刻的状态估计值，为k+1时刻的状态矢量，y(k+1)作为k+1时刻的输出，为k+1时刻的状态矢量，K(k+1)为k+1时刻的最优增益矩阵方程，
R为协方差矩阵，C(k+1)为k+1时刻C的矩阵，CT(k+1)为k+1时刻C的转换矩阵。
为k+1时刻的误差协方差矩阵预测值，满足：
为k+1时刻的估计误差协方差矩阵，通过滤波误差方差阵得到永磁同步电机的转子角度θ。
步骤3、将扩展卡尔曼滤波法得到的角度θ用在dq/αβ变换和αβ/dq变换中。
步骤4、采用转速外环、电流内环的双闭环控制方式，调制方式采用七段式五电平SVPWM调制方式，产生PWM信号，驱动变换器中的IGBT模块。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***，其特征在于，包括：
第一电源电路，第一电源电路与三相电压连接；
第二电源电路，第二电源电路与三相电压连接；
永磁电机，永磁电机分别与第一电源电路及第二电源电路连接；
采样模块，采样模块与永磁电机连接；
主控模块，主控模块与采样模块连接；
驱动模块，驱动模块连接主控模块与第一电源电路及第二电源电路。
2.根据权利要求1所述的矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***，其特征在于，第一电源电路包括依次连接的第一隔离变压器、第一熔断器、第一电抗器、第一不可控整流桥、第一预充电阻及第一三电平变换器；其中
第一隔离变压器与三相电压连接；永磁电机与第一三电平变换器连接；驱动模块与第一三电平变换器连接。
3.根据权利要求2所述的矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***，其特征在于，第二电源电路包括依次连接的第二隔离变压器、第二熔断器、第二电抗器、第二不可控整流桥、第二预充电阻及第二三电平变换器；其中
第二隔离变压器与三相电压连接；永磁电机与第二三电平变换器连接；驱动模块与第二三电平变换器连接。
4.根据权利要求3所述的矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***，其特征在于，采样模块包括第一电压电流采样调理板及第二电压电流采样调理板；其中
第一电压电流采样调理板及第二电压电流采样调理板分别连接永磁电机及主控模块。
5.根据权利要求4所述的矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***，其特征在于，驱动模块包括第一驱动板及第二驱动板；其中
第一驱动板连接第一三电平变换器及主控模块；
第二驱动板连接第二三电平变换器及主控模块。
6.一种矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获得开绕组永磁同步电机的离散矩阵方程；
步骤2，将离散矩阵方程代入扩展卡尔曼滤波算法中，得到永磁同步电机的转子角度θ；
步骤3，将永磁同步电机的转子角度θ代入dq/αβ变换和αβ/dq变换中，对永磁同步电机进行控制；其中dq/αβ是dq坐标系向αβ坐标系的转换；αβ/dq是αβ坐标系向dq坐标系的转换。
7.根据权利要求6所述的矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***的工作方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1.1，建立开绕组永磁同步电机的状态方程，状态方程为：
步骤1.2，将状态方程转换成矩阵方程，矩阵方程为：
式中
x＝(id，iq，ω，θ)T
u＝(ud，uq)T
y＝(id，iq)T
步骤1.3，对矩阵方程进行离散化处理，得到离散矩阵方程，离散矩阵方程为：
其中
其中，p为永磁同步电机的磁极数，id为永磁同步电机的d轴电流分量，iq为永磁电机的q轴电流分量，R为永磁同步电机的定子电阻，Ld为永磁同步电机的d轴电感分量，Lq为永磁同步电机的q轴电感分量，ω为永磁同步电机的角速度，ud为永磁同步电机的d轴电压分量，uq为永磁同步电机的q轴电压分量，ψf为永磁同步电机的磁链，J为永磁同步电机的转动惯量，np为永磁同步电机的磁极对数，Te为永磁同步电机的电磁转矩，Tm为永磁同步电机的机械转矩，θ为永磁同步电机的转子角度，t为时间，x(k)为k时刻的(id，iq，ω，θ)T的状态变量，x(k+1)为k+1时刻的(id，iq，ω，θ)T的状态变量，y(k)为k时刻的(id，iq)T的状态变量，y(k+1)为k+1时刻的(id，iq)T的状态变量。
8.根据权利要求7所述的矿山牵引用开绕组永磁同步电机驱动***的工作方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2.1，建立滤波误差方差阵，滤波误差方差阵为：
其中，u(k)作为k时刻的输入，为k时刻的状态估计值，为k+1时刻的状态矢量，y(k+1)作为k+1时刻的输出，为k+1时刻的状态矢量；
K(k+1)为k+1时刻的最优增益矩阵方程，
R为协方差矩阵，C(k+1)为k+1时刻C的矩阵，CT(k+1)为k+1时刻C的转换矩阵。
为k+1时刻的误差协方差矩阵预测值，满足：
为k+1时刻的估计误差协方差矩阵。
步骤2.2，通过滤波误差方差阵得到永磁同步电机的转子角度θ。
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