CN109889120A - 一种船舶电机制动控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶电机制动控制***，该***通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制中间电压来控制电机的逆变器，以此实现船舶电推***的减速或停车。本发明不仅可以节省生产成本，还可以确保电机变频器正常工作不会产生过压故障。

Description

一种船舶电机制动控制***

技术领域

本发明属于船舶电力推进技术领域，尤其涉及一种无需使用斩波电阻的船舶电机制动控制***。

背景技术

目前，为了解决传统船舶柴油推进***机动性能差、动力损耗大和运行效率低等缺点，越来越多的船舶装备了电力推进***。电力推进船舶***采用变频器带动电机来推进螺旋桨旋转，或通过齿轮箱来间接推动螺旋桨旋转。当由电力推进的船舶在进行减速或停车时，处于制动状态的电机会向变频器回馈能量。因此，在变频器没有能量回馈功能的情况下，往往需要安装制动电阻(斩波电阻)来消耗能量，以保证中间电压不产生过压故障。然而，制动电阻箱的安装不仅占用空间，而且还会提高生产成本。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种新的船舶电机制动控制***，其包括：

转速/转矩转换模块，其用于根据给定的电机转速与实际的电机转速之间的差值确定相应的给定的电机转矩；

转矩PI控制模块，其连接所述转速/转矩转换模块，用于根据所述转速/转矩转换模块输出的给定的电机转矩和基于电机模型计算的电机转矩确定相应的动态负载角；

磁链相位增量模块，其连接所述转矩PI控制模块，用于将所述转矩PI控制模块输出的动态负载角与基于定子频率和计算周期的乘积得到的稳态负载角叠加，以此确定定子磁链相位增量；

优化磁链控制模块，其根据给定的电机磁链和基于电机模型计算的磁链幅值确定定子磁链增量比；

定子磁链增量模块，其连接所述磁链相位增量模块和所述优化磁链控制模块，用于根据所述磁链相位增量模块输出的磁链相位增量和所述优化磁链控制模块输出的定子磁链增量比以及电机实际定子磁链确定相应的定子磁链增量；

磁链/电压转换模块，其连接所述定子磁链增量模块，用于将所述定子磁链增量模块输出的定子磁链增量转换为相应的定子电压增量；

空间矢量调制模块，其第一输入端连接所述磁链/电压转换模块，其第二输入端接收中间电压，一方面根据所述磁链/电压转换模块输出的定子电压增量与定子电阻压降之和确定电压调制比，基于所述电压调制比输出调制脉冲信号，用于对电机进行变压变频控制，另一方面当电机制动时，受电机回馈能量的影响而抬升所述第二输入端处的中间电压；

电压PI控制模块，其连接所述空间矢量调制模块的第二输入端与所述优化磁链控制模块之间，用于根据预设的目标中间电压和所述第二输入端处实际的中间电压确定相应的控制系数k，利用所述控制系数k来调节提供给所述优化磁链控制模块的给定的电机磁链。

根据本发明的实施例，上述电压PI控制模块基于中间电压功率平衡机制，根据所述空间矢量调制模块输出的中间电压确定相应的控制系数k。

根据本发明的实施例，上述电压PI控制模块根据给定的中间电压控制目标，计算所述中间电压控制目标的平方值与所述空间矢量调制模块输出的中间电压的平方值之间的差值，根据所述差值确定所述控制系数k。

根据本发明的实施例，上述中间电压控制目标低于所述中间电压的过压门槛电压。

根据本发明的实施例，上述控制系数k大于1。

根据本发明的实施例，上述磁链相位增量模块还根据给定的负载角限制系数，将所述磁链相位增量控制在给定的增量范围内，以此控制所述空间矢量调制模块输出的中间电压不过压。

根据本发明的实施例，上述负载角限制系数小于1。

根据本发明的实施例，上述负载角限制系数为所述控制系数k的倒数。

根据本发明的实施例，上述船舶电机制动控制***还包括：

温度过载保护模块，其连接在所述优化磁链控制模块与所述电压PI控制模块之间，用于当电机温度超过给定的温度阈值时，切断所述优化磁链控制模块与所述电压PI控制模块之间的连接。

根据本发明的实施例，上述转速/转矩转换模块为速度环积分。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

1)本发明提供的电机制动控制***应用在船舶电推***中，使得船舶电推***能够去掉斩波电阻，通过优化的磁通制动方式就可以实现船舶的减速或停车功能，不仅可以节约生产成本，还可以确保变频器正常工作不会产生过压故障。

2)本发明提供的电机制动控制***通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制输出来控制变频器的逆变器，通过这种方式不仅可以保证磁链轨迹为圆形，而且还对转矩进行了稳态和动态的调节，具有很好的稳态和动态性能，并且电流为正弦形，开关频率恒定，具有噪音小等优点。

3)本发明提供的电机制动控制***对变频器的控制是基于定子磁链，这种方法对电机参数的冗余性比较强，能够克服传统的矢量控制方法的缺陷，例如传统的矢量控制方法对电机的参数的依赖性较强，在矢量控制下，电机参数的变化会引发磁场定向不准确，转矩出力不准等现象。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的船舶电推***的电路结构示意图；

图2是本发明一实施例中船舶电机制动控制***的组成示意图。

具体实施方式

当船舶电推***在减速或停车的过程中，例如在给定转速斜率下降的过程中，实际转速大于给定转速，速度环积分出的转矩随转速的下降逐渐减小，由于螺旋桨的负载特性与转速成三次方的关系，因此当实际转速比较大时负载转矩也会比较大(水的阻力比较大)，电机的制动能量大部分消耗在对抗水的阻力上，只有在低速时，水的阻力变小，电机的制动能量不会完全消耗在对抗水的阻力上时，速度环积分的转矩会呈现出负转矩的状态，此时机械功率P_mech小于零；此时电机定子绕组上的功率为定子铜耗P_cus、转子铜耗P_cur、铁耗P_Fe与机械功率P_mech之和，当定子铜耗P_cus、转子铜耗P_cur和铁耗P_Fe小于机械功率P_mech时，电机体现出制动状态，会导致中间电压的升高，如果没有斩波电阻(也称制动电阻)消耗这部分能量的话，变频器会出现中间电压过压故障。

本发明提出在间接定子量控制(ISC)的控制模式下，去掉如图1所示的变频器20中原有的斩波电阻回路22，基于中间电压功率平衡的角度出发，通过对中间电压的控制，一方面调节输出转矩，另一方面调节磁通。通过对输出转矩的限制，减小机械功率；通过对磁通的优化调节，增大电机本体损耗，以此实现船舶电推***的减速或停车。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

需要说明的是，本发明在具体实施时，可以根据具体要求在附图所示实施例的基础上进行添加、修改或替换，只要在本发明所述的技术范围内，都应在本发明的保护范围之内。

第一实施例

如图1所示，在现有的船舶电推***中，发电机绕组10向船舶电推变频器20的输入端提供例如690V的三相交流电，该三相交流电经过变频器20中的三相整流单元21转换成了1050V左右的电压，当制动时，此电压会被抬升，该电压被传给斩波电阻回路22，因此还需要斩波电阻回路22控制其中的IGBT进行斩波操作，或者当变频器发生故障时，导通其中的IGBT进行快速放电。中间电压被传给逆变主控单元23，逆变主控单元23进而控制它的三个桥臂的IGBT的开通与关断来控制电机负载30的运行。

对于上述如图1所示的船舶电推***，如果应用本发明提供的船舶电机制动控制***，可以去掉变频器20中的斩波电阻回路22.。

下面结合图2来详细地描述本发明的船舶电机制动控制***的工作原理。具体地，该船舶电机制动控制***100包括：

转速/转矩转换模块110，其用于根据给定的电机转速w_ref与实际的电机转速w_n之间的差值确定给定的电机转矩T_{e_ref}；

转矩PI控制模块120，其连接所述转速/转矩转换模块110，用于根据所述转速/转矩转换模块110输出的给定的电机转矩T_{e_ref}和基于电机模型计算的电机转矩T_eu确定相应的动态负载角Δθ_d；

磁链相位增量模块130，其连接所述转矩PI控制模块120，用于将所述转矩PI控制模块输出的动态负载角Δθ_d与基于定子频率W₁和计算周期T_c的乘积得到的稳态负载角Δθ_s叠加，以此确定相应的负载角Δθ，也即定子磁链相位增量；

优化磁链控制模块140，其根据给定的电机磁链ψ^* _s和基于电机模型计算的磁链幅值|ψ_s|确定定子磁链增量比k_ψ；

定子磁链增量模块150，其连接所述磁链相位增量模块130和所述优化磁链控制模块140，用于根据所述磁链相位增量模块130输出的磁链相位增量Δθ和所述优化磁链控制模块140输出的定子磁链增量比k_ψ以及电机实际定子磁链ψ_s确定相应的定子磁链增量Δψ_s；

磁链/电压转换模块160，其连接所述定子磁链增量模块150，用于将所述定子磁链增量模块150输出的定子磁链增量Δψ_s转换为相应的定子电压增量U_ψ；

空间矢量调制模块170，其第一输入端连接所述磁链/电压转换模块160，其第二输入端接收中间电压U_dc，一方面根据所述磁链/电压转换模块160输出的定子电压增量U_ψ与定子电阻压降I_s×R_s之和确定电压调制比U_s，然后基于所述电压调制比U_s输出调制脉冲信号PWM，提供给例如图1所示的变频器20的逆变主控单元23，以对电机进行变压变频控制，另一方面当电机制动时，受电机回馈能量的影响而抬升所述第二输入端处的中间电压U_dc，所述中间电压U_dc为图1中电容后正负母线间的电压；

电压PI控制模块180，其连接在所述空间矢量调制模块170的第二输入端与所述优化磁链控制模块140之间，用于根据预设的目标中间电压和所述空间矢量调制模块170的第二输入端处的实际中间电压U_dc来确定相应的控制系数k，利用所述控制系数k来调节提供给所述优化磁链控制模块140的给定的电机磁链ψ*_s，从而构成关于中间电压的控制回路。在此，所述目标中间电压是基于变频器所能承受的最大电压设定的一个电压阈值。例如，如果变频器所能承受的最大电压是1200V，那么可以设定目标中间电压为1100V。即，当电机回馈能量时，实际中间电压可以可从正常的1000V上升至1100V，然后进入本方法控制，不会超过变频器所能承受的最大电压1200V，从而确保变频器不会出现过压故障。

此外，上述电机制动控制***中，所述电压PI控制模块可以基于中间电压功率平衡机制，根据空间矢量调制模块输出的中间电压确定相应的控制系数k。

具体地，电压PI控制模块根据预先给定的合理的中间电压控制目标U_dmax

(低于中间电压的过压门槛电压)，从中间电压功率平衡的角度出发，计算所述中间电压控制目标的平方值与所述空间矢量调制模块输出的中间电压U_dc的平方值之间的差值U² _dmax-U² _dc，然后根据所述差值确定所述控制系数k。通常，控制系数k大于1，以便增大定子磁通，进而增大电机本体损耗，以此实现船舶电推***的减速或停车。

进一步地，因为定子磁通增大，因此电机铜耗、铁耗会由此增加，虽然也可以消耗一部分制动能量，但是电机的本体损耗会导致电机发热。因此，针对于此，本发明还在上述电机制动控制***中加入了温度过载保护模块190，以便当电机温度超过预先给定的温度阈值时，直接切除磁通制动，使得***仅仅通过限制输出转矩的方式进行减速或停车控制。

具体地，所述温度过载保护模块190连接在所述电压PI控制模块180与所述优化磁链控制模块140之间，用于当电机温度超过给定的温度阈值时，切断所述优化磁链控制模块140与所述电压PI控制模块180之间的连接，使得***仅仅采用限制输出转矩的方式进行减速或停车控制(如图2所示开关190处于断开状态的情况)。

另外，上述电机制动控制***中，所述磁链相位增量模块还可以根据预先给定的负载角限制系数，将所述磁链相位增量控制在预先给定的增量范围内。在本实施例中，所述负载角限制系数可以是上述控制系数k的倒数。通过此负载角限制系数对转矩PI控制模块的输出量负载角进行限制，可以由此实现对实际输出转矩的限制，进而保证中间电压U_dc控制在预先给定的U_dmax下，也即不过压。

总之，船舶电推进***，其主要的控制目标是船的航速，对应的就是电机的转速大小。当操作员操纵架控室的手柄给定转速后(也即给定给定的电极转速后)，通过转速/转矩转换模块(本实施例为一速度环的积分)，转化为给定的电机转矩。而定子磁链的增量计算需要幅值和角度，角度的计算由稳态角和动态角组成，动态角的计算式通过转矩PI控制模块获得，稳态角由定子频率与计算周期的乘积得到；磁链幅值的增量，可以由优化磁通环节得到，而给定的定子磁链由电压PI控制模块调节，通过给定的定子磁链与基于电机模型计算的磁链幅值计算出磁链的增量比，再结合获得的幅值和角度，就可以确定相应的定子磁链增量，让后通过磁链电压转换模块，将定子磁链增量转化为与之对应的定子电压增量，再加上定子电阻上的压降，就得到了调制用的电压调制比，然后通过空间矢量调制模块内置的算法，获得相应地调制脉冲信号PWM，提供给变频器的逆变主控单元，如此就可以实现电机转速的随动控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶电机制动控制***，其特征在于，包括：

转速/转矩转换模块，其用于根据给定的电机转速与实际的电机转速之间的差值确定相应的给定的电机转矩；

转矩PI控制模块，其连接所述转速/转矩转换模块，用于根据所述转速/转矩转换模块输出的给定的电机转矩和基于电机模型计算的电机转矩确定相应的动态负载角；

磁链相位增量模块，其连接所述转矩PI控制模块，用于将所述转矩PI控制模块输出的动态负载角与基于定子频率和计算周期的乘积得到的稳态负载角叠加，以此确定定子磁链相位增量；

优化磁链控制模块，其根据给定的电机磁链和基于电机模型计算的磁链幅值确定定子磁链增量比；

定子磁链增量模块，其连接所述磁链相位增量模块和所述优化磁链控制模块，用于根据所述磁链相位增量模块输出的磁链相位增量和所述优化磁链控制模块输出的定子磁链增量比以及电机实际定子磁链确定相应的定子磁链增量；

磁链/电压转换模块，其连接所述定子磁链增量模块，用于将所述定子磁链增量模块输出的定子磁链增量转换为相应的定子电压增量；

空间矢量调制模块，其第一输入端连接所述磁链/电压转换模块，其第二输入端接收中间电压，一方面根据所述磁链/电压转换模块输出的定子电压增量与定子电阻压降之和确定电压调制比，基于所述电压调制比输出调制脉冲信号，用于对电机进行变压变频控制，另一方面当电机制动时，受电机回馈能量的影响而抬升所述第二输入端处的中间电压；

电压PI控制模块，其连接所述空间矢量调制模块的第二输入端与所述优化磁链控制模块之间，用于根据预设的目标中间电压和所述第二输入端处实际的中间电压确定相应的控制系数k，利用所述控制系数k来调节提供给所述优化磁链控制模块的给定的电机磁链。

2.如权利要求1所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述电压PI控制模块具体用于基于中间电压功率平衡机制，根据所述空间矢量调制模块输出的中间电压确定相应的控制系数k。

3.如权利要求2所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述电压PI控制模块具体用于根据给定的中间电压控制目标，计算所述中间电压控制目标的平方值与所述空间矢量调制模块输出的中间电压的平方值之间的差值，根据所述差值确定所述控制系数k。

4.如权利要求3所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述中间电压控制目标低于所述中间电压的过压门槛电压。

5.如权利要求2至4中任意一项所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述控制系数k大于1。

6.如权利要求1所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述磁链相位增量模块还用于根据给定的负载角限制系数，将所述磁链相位增量控制在给定的增量范围内，以此控制所述空间矢量调制模块输出的中间电压不过压。

7.如权利要求6所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述负载角限制系数小于1。

8.如权利要求6所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述负载角限制系数为所述控制系数k的倒数。

9.如权利要求1所述的船舶电机制动控制***，其特征在于，还包括：

温度过载保护模块，其连接在所述优化磁链控制模块与所述电压PI控制模块之间，用于当电机温度超过给定的温度阈值时，切断所述优化磁链控制模块与所述电压PI控制模块之间的连接。

10.如权利要求1所述的船舶电机制动控制***，其特征在于：

所述转速/转矩转换模块为速度环积分。