CN113437916B - 一种双馈异步电动机控制***的起动方法和装置 - Google Patents

一种双馈异步电动机控制***的起动方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双馈异步电动机控制***的起动方法和装置，属于电机技术领域。本方法首先通过开环给定转子d、q轴电压给定值
Figure DDA0003113006880000011
采集并计算电机接近起动时该转子位置对应的d、q轴电流反馈值irdq，并将其作为闭环控制的参考电流限幅或给定值，不需要安装原动机拖动电机起动或采取开关切换运行模式，有效简化双馈异步电动机的起动过程，实现双馈异步电动机直接起动。

Description

一种双馈异步电动机控制***的起动方法和装置
技术领域
本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种双馈异步电动机控制***的起动方法和装置。
背景技术
我国能源发展坚持节约发展、清洁发展和安全发展的战略路线，现阶段船舶推进的动力***在能量变换和分配上有了显著发展，电气化成为船舶推进***的发展趋势。船舶工业的发展对全球交通运输和世界经济具有重要的影响，并且大型船舶的相关技术在军事领域也得到了相当的重视，是国家军事实力的重要体现。为了满足不断提高的船舶用电需求，基于电力推进***的全电船舶已逐渐成为世界各大型造船厂的船舶生产标准，这也是未来船舶的发展方向。
双馈异步电动机相对于鼠笼式异步电动机来说，具有转差功率可以回馈、功率变换器容量可调等优点。但是，双馈异步电动机也存在起动电流较大，调速范围有限、结构复杂等缺点。目前，有许多关于双馈异步电动机起动方法的研究，常规的双馈异步电动机起动方法采用原动机拖动或采用感应电机接线方式起动，前者需要外加一台电动机或者其他设备拖动双馈异步电动机起动；后者通常需要额外开关设备或软件控制开关的算法，二者都存在双馈异步电动机起动软硬件相对复杂的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种双馈异步电动机控制***的起动方法和装置，旨在解决现有双馈异步电动机起动需要额外的电机或开关设备，起动控制更复杂的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种双馈异步电动机控制***的起动方法，
双馈异步电动机控制***包括：三相交流调压器，背靠背功率变换器、控制器和双馈异步电动机。所述三相交流调压器输入端与电网连接，输出端接网侧变换器。网侧变换器输出直流电压接并联电容和直流母线。所述双馈异步电动机的定子侧接三相交流调压器，转子侧接转子侧功率变换器，以实现对转子电流的控制。进一步的，所述背靠背功率变换器包含多个桥臂和直流母线电容，每个桥臂包括上开关管和下开关管；所述网侧变换器上开关管的发射极和下开关管的集电极连接作为桥臂的输入端，各桥臂输入端分别与所述三相调压器输出端连接；转子侧功率变换器上开关管的发射极和下开关管的集电极连接作为桥臂的输出端，各个桥臂输出端分别与所述双馈异步电动机转子绕组一端连接；所述直流母线电容的一端与各个桥臂上开关管的集电极连接；所述直流母线电容的另一端与各个桥臂下开关管的发射极连接。
起动方法包括以下步骤：
(1)将直流母线电压升高到预设工作值，给定转子d、q轴电压参考值，在定子三相电压处于电机临界启动电压时，计算开环下转子d、q轴电流；
(2)将所述开环下d、q轴电流分别设置为闭环双馈运行控制时的d轴电流参考值的限幅值和q轴电流参考值；
(3)电机以闭环双馈控制运行方式在上述预设设置值下提高电机定子侧电压直到电机起动。
进一步地，将直流母线电压升高到预设工作值具体包括：
(A1)采集电机定子侧三相电压，计算得到定子电压矢量角度θ1；
(A2)根据直流母线电压给定值
Figure BDA0003113006860000031
和采集到的直流母线电压udc，计算得到网侧变换器d轴电流给定值
Figure BDA0003113006860000032
预设网侧变换器q轴电流给定值
Figure BDA0003113006860000033
为零；
(A3)采集到的网侧变换器三相电流
Figure BDA0003113006860000034
根据上述定子电压矢量角度θ1进行坐标变换，得到网侧变换器d轴电流反馈值igd、q轴电流反馈值igq，采集到的网侧变换器三相电压ugabc根据上述定子电压矢量角度θ1进行坐标变换，得到网侧变换器d轴电压反馈值ugd、q轴电压反馈值ugq；
(A4)根据网侧变换器d轴电流给定值
Figure BDA0003113006860000035
q轴电流给定值
Figure BDA0003113006860000036
和d轴电流反馈值igd、q轴电流反馈值igq以及d轴电压反馈值ugd、q轴电压反馈值ugq，计算得到网侧变换器d轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000037
q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000038
(A5)所述网侧变换器d轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000039
q轴电压给定值
Figure BDA00031130068600000310
根据定子电压矢量角度θ1进行坐标变换得到网侧变换器三相电压给定值
Figure BDA00031130068600000311
(A6)采用SPWM调制算法将网侧变换器三相电压给定值
Figure BDA00031130068600000312
作为参考电压生成触发脉冲驱动网侧变换器中各开关管，控制直流母线电压升高到预设工作值。
进一步地，闭环双馈控制运行具体包括：
(B1)采集电机定子侧三相电压，计算得到定子电压矢量角度θ1；
(B2)根据电机转速给定值
Figure BDA00031130068600000313
和采集到的电机转速ωr，计算得到转子侧变换器d轴电流给定值
Figure BDA00031130068600000314
(B3)所述定子电压矢量角度θ1与采集得到的转子位置角度θr相减得到转差角度θs，采集到的转子侧变换器三相电流irabc根据转差角度θs进行坐标变换，得到转子侧变换器d轴电流反馈值ird、q轴电流反馈值irq；
(B4)根据转子侧变换器d轴电流给定值
Figure BDA00031130068600000315
q轴电流给定值
Figure BDA00031130068600000316
和d轴电流反馈值ird、q轴电流反馈值irq，计算得到转子侧变换器d轴电压给定值
Figure BDA00031130068600000317
q轴电压给定值
Figure BDA00031130068600000318
(B5)所述转子侧变换器d轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000041
q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000042
根据转差角度θs进行坐标变换得到转子侧变换器三相电压给定值
Figure BDA0003113006860000043
(B6)采用SPWM调制算法将转子侧变换器三相电压给定值
Figure BDA0003113006860000044
作为参考电压生成触发脉冲驱动转子侧变换器中各开关管，输出电机定子三相电压，控制双馈异步电动机运行。
进一步地，开环下转子d、q轴电流的计算包括：
转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000045
经坐标变换得到各相绕组电压给定值
Figure BDA0003113006860000046
将其与预设的三角波进行比较后，对转子侧功率变换器中各开关管的驱动信号进行控制，产生电机转子三相电流irabc；
在定子三相电压为临界起动电压时，将所述电机转子三相电流irabc进行坐标变换，得到转子d、q轴电流反馈值ird、irq。
进一步地，转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000047
经坐标变换得到各相绕组电压给定值
Figure BDA0003113006860000048
具体包括：
采集定子三相电压usabc，根据锁相环算法得到定子电压矢量角度θ1，并与由转子转速ωr计算得的转子位置角度θr相减，计算出转差角度θs；转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000049
根据转差角度θs得到各相绕组电压给定值
Figure BDA00031130068600000410
进一步地，对转子侧变换器中各开关管的驱动信号进行控制的方式具体为：
当绕组电压给定值大于三角载波时，对应的上开关管驱动信号为高电平，下开关管驱动信号为低电平；当绕组电压给定值小于等于三角载波时，对应的上开关管驱动信号为低电平，下开关管驱动信号为高电平。
进一步地，所述三角波的频率为10kHz，最大值为母线电压udc，最小值为负母线电压-udc。
本发明另一方面提供了一种双馈异步电动机控制***的起动装置，包括：
计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行本发明第一方面所述的双馈异步电动机控制***的起动方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本方法首先通过开环给定转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000051
采集并计算电机接近起动时该转子位置对应的d、q轴电流反馈值irdq，并将其作为闭环控制的参考电流限幅或给定值，不需要安装原动机拖动电机起动或采取开关切换运行模式，有效简化双馈异步电动机的起动过程，实现双馈异步电动机直接起动。
附图说明
图1是双馈异步电动机控制***示意图；
图2是双馈异步电动机控制***网侧变换器电流双闭环控制示意图；
图3是双馈异步电动机控制***开环控制示意图；
图4是双馈异步电动机控制***转子侧电流双闭环控制示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种双馈异步电动机的控制***，包括三相交流调压器、双馈异步电动机、背靠背功率变换模块、脉冲产生模块、驱动模块、位置传感器及控制器。双馈异步电动机***如图1所示，网侧功率变换器一端通过电感与三相交流调压器输出连接，另一端与直流母线电容连接，用于把三相交流电压变换成直流电压。转子侧功率变换器一端与直流母线连接，另一端与双馈异步电动机转子三相绕组连接，为转子绕组提供三相交流电流。双馈异步电动机定子绕组还与三相交流调压器输出直接连接。
起动方法包括以下步骤：
(1)将直流母线电压升高到预设工作值，给定转子d、q轴电压参考值，在定子三相电压处于电机临界启动电压时，计算开环下转子d、q轴电流；
(2)将所述开环下d、q轴电流分别设置为闭环双馈运行控制时的d轴电流参考值的限幅值和q轴电流参考值；
(3)电机以闭环双馈控制运行方式在上述预设设置值下提高电机定子侧电压直到电机起动。
具体地，网侧功率变换器控制框图如图2所示，包括：
(1)直流电压调节器根据直流母线电压给定值
Figure BDA0003113006860000061
和母线电压传感器采集到的直流电压udc，利用比例积分算法，计算得到网侧电流d轴分量给定值
Figure BDA0003113006860000062
网侧变换器电流q轴分量给定值
Figure BDA0003113006860000063
通常设定为0；由此可以得到网侧变换器电流d、q轴分量给定值；
(2)三相交流调压器输出电压传感器采集到的三相交流电压经过三相锁相环算法，得到定子电压角度θ1；网侧变换器第二旋转坐标变换模块根据网侧变换器三相电流传感器采集到的三相交流电流igabc，以及锁相环计算出的定子电压角度θ1，经坐标变换计算得到网侧变换器电流d、q轴分量反馈值igdq；
(3)电流调节器根据网侧变换器电流d、q轴分量给定值
Figure BDA0003113006860000064
和反馈值igdq，利用比例积分算法，加上交叉耦合项，得到网侧变换器d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000065
具体地，网侧变换器d、q轴电压给定值计算函数如下：
Figure BDA0003113006860000071
其中，实际中可以将电阻项忽略；式中，Rg为网侧电阻，igdq为网侧变换器电流dq轴分量，Lg为串联电感，ω1为电网电压角频率，ugd为计算得到的网侧变换器d轴电压反馈值，
Figure BDA0003113006860000072
为网侧变换器d、q轴电压给定值；
(4)网侧变换器第一旋转坐标变换模块根据网侧变换器d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000073
和定子电压角度θ1，经坐标变换计算得到网侧变换器三相电压给定值
Figure BDA0003113006860000074
(5)通过载波比较脉冲宽度调制模块将三相电压给定值与预设三角波进行比较，将PWM驱动信号输入网侧变换器，控制开关管动作，产生直流母线电压udc。
所述双馈异步电动机控制***的起动方法包括开环环节，控制框图如图3所示；以及闭环控制环节，控制框图如图4所示.
起动过程包括：
开环测量转子电流反馈值：
(1)开环直接给定转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000075
转子侧第一坐标变换模块根据锁相环计算出的定子电压角度θ1和采集到的转子位置角度θr，相减作为坐标变换角度，将转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000076
变换成三相静止坐标系下三相转子电压
Figure BDA0003113006860000077
(2)通过载波比较脉冲宽度调制模块将三相转子电压给定值与预设三角波进行比较，将PWM驱动信号输入转子侧功率变换器，控制开关管动作，在转子侧产生三相交流电压urabc；
(3)转子侧第二旋转坐标变换模块根据转子侧三相电流传感器采集到的转子三相交流电流irabc，并以锁相环计算出的定子电压角度θ1和采集到的转子位置角度θr相减所得转差角度θs作为坐标变换角度，通过坐标变换计算得到转子电流d、q轴分量反馈值irdq；其中，上述开环阶段起动前转子转速为零，采集到的转子位置角度θr始终为零；
然后在转速闭环下进行起动：
(5)转速调节器根据转速给定值
Figure BDA0003113006860000081
和位置传感器采集到的转子转速ωr，利用比例积分算法，计算得到转子侧电流d轴分量给定值
Figure BDA0003113006860000082
(6)转子侧第二旋转坐标变换模块根据转子三相电流传感器采集到的转子三相交流电流irabc，以及转差角度θs，经坐标变换计算得到转子电流d、q轴分量反馈值irdq；
(7)电流调节器根据转子电流d、q轴分量给定值
Figure BDA0003113006860000083
和反馈值irdq，利用比例积分算法，加上交叉耦合项，得到转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000084
具体地，转子d、q轴电压给定值计算函数如下：
Figure BDA0003113006860000085
其中，转子电阻项在实际计算中可以忽略；式中，
Figure BDA0003113006860000086
为电机漏磁系数，Lm电机为互感，Ls电机为定子电感，Lr电机为转子电感；Rr为转子电阻，irdq为转子侧电流dq轴分量，ωs为转差转速，ω1为电网电压角频率，us为定子电压，
Figure BDA0003113006860000087
为转子侧d、q轴电压给定值；
(8)转子侧第一旋转坐标变换模块根据转子d、q轴电压给定值
Figure BDA0003113006860000088
和转差角度θs，坐标变换得到转子三相电压给定值
Figure BDA0003113006860000089
(9)通过载波比较脉冲宽度调制模块将三相转子电压给定值与预设三角波进行比较，将PWM驱动信号输入转子侧功率变换器，控制开关管动作，在转子侧产生三相交流电压urabc；
(10)起动时将转速调节器输出
Figure BDA0003113006860000091
限幅设置得较小，可以设置为0.5；转子电流q轴分量给定值
Figure BDA0003113006860000092
设置为0；
(11)首先调节三相交流调压器输出为一个较小值，可以设置输出线电压为10V；
(12)运行网侧功率变换器算法，使直流母线电压上升到电机可以起动的值，可以设置为70V；
(13)调节三相交流调压器输出线电压升高到接近起动的定子电压，可以调节到40V；
(14)将开环阶段计算得到的转子电流d轴分量反馈值ird作为转速调节器输出限幅的参考值；
(15)将开环阶段计算得到的转子电流q轴分量反馈值irq作为转子电流q轴分量给定值
Figure BDA0003113006860000093
(16)逐渐调节三相交流调压器输出线电压升高，直到电机起动；
(17)电动机起动后，将按照转子侧功率变换器控制方法以双馈方式运行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双馈异步电动机控制***的起动方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将直流母线电压升高到预设工作值，给定转子d、q轴电压参考值，在定子三相电压处于电机临界启动电压时，计算开环下转子d、q轴电流；所述将直流母线电压升高到预设工作值具体包括：
(A1)采集电机定子侧三相电压，计算得到定子电压矢量角度θ1；
(A2)根据直流母线电压给定值
Figure FDA0003701245300000011
和采集到的直流母线电压udc，计算得到网侧变换器d轴电流给定值
Figure FDA0003701245300000012
预设网侧变换器q轴电流给定值
Figure FDA0003701245300000013
为零；
(A3)采集到的网侧变换器三相电流igabc根据上述定子电压矢量角度θ1进行坐标变换，得到网侧变换器d轴电流反馈值igd、q轴电流反馈值igq，采集到的网侧变换器三相电压ugabc根据上述定子电压矢量角度θ1进行坐标变换，得到网侧变换器d轴电压反馈值ugd、q轴电压反馈值ugq；
(A4)根据网侧变换器d轴电流给定值
Figure FDA0003701245300000014
q轴电流给定值
Figure FDA0003701245300000015
和d轴电流反馈值igd、q轴电流反馈值igq以及d轴电压反馈值ugd、q轴电压反馈值ugq，计算得到网侧变换器d轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000016
q轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000017
加上交叉耦合项；
(A5)所述网侧变换器d轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000018
q轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000019
根据定子电压矢量角度θ1进行坐标变换得到网侧变换器三相电压给定值
Figure FDA00037012453000000110
(A6)采用SPWM调制算法将网侧变换器三相电压给定值
Figure FDA00037012453000000111
作为参考电压生成触发脉冲驱动网侧变换器中各开关管，控制直流母线电压升高到预设工作值；
开环下转子d、q轴电流的计算包括：
转子d、q轴电压给定值
Figure FDA00037012453000000112
经坐标变换得到各相绕组电压给定值
Figure FDA0003701245300000021
将其与预设的三角波进行比较后，对转子侧功率变换器中各开关管的驱动信号进行控制，产生电机转子三相电流irabc；
在定子三相电压为临界起动电压时，将所述电机转子三相电流irabc进行坐标变换，得到转子d、q轴电流反馈值ird、irq；
转子d、q轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000022
经坐标变换得到各相绕组电压给定值
Figure FDA0003701245300000023
具体包括：
采集定子三相电压usabc，根据锁相环算法得到定子电压矢量角度θ1，并与由转子转速ωr计算得的转子位置角度θr相减，计算出转差角度θs；转子d、q轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000024
根据转差角度θs得到各相绕组电压给定值
Figure FDA0003701245300000025
(2)将所述开环下d、q轴电流分别设置为闭环双馈运行控制时的d轴电流参考值的限幅值和q轴电流参考值；
(3)电机以闭环双馈控制运行方式在上述设置下提高电机定子侧电压直到电机起动。
2.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，闭环双馈控制运行具体包括：
(B1)采集电机定子侧三相电压，计算得到定子电压矢量角度θ1；
(B2)根据电机转速给定值
Figure FDA0003701245300000026
和采集到的电机转速ωr，计算得到转子侧变换器d轴电流给定值
Figure FDA0003701245300000027
(B3)所述定子电压矢量角度θ1与采集得到的转子位置角度θr相减得到转差角度θs，采集到的转子侧变换器三相电流irabc根据转差角度θs进行坐标变换，得到转子侧变换器d轴电流反馈值ird、q轴电流反馈值irq；
(B4)根据转子侧变换器d轴电流给定值
Figure FDA0003701245300000028
q轴电流给定值
Figure FDA0003701245300000029
和d轴电流反馈值ird、q轴电流反馈值irq，计算得到转子侧变换器d轴电压给定值
Figure FDA00037012453000000210
q轴电压给定值
Figure FDA00037012453000000211
加上交叉耦合项；
(B5)所述转子侧变换器d轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000031
q轴电压给定值
Figure FDA0003701245300000032
根据转差角度θs进行坐标变换得到转子侧变换器三相电压给定值
Figure FDA0003701245300000033
(B6)采用SPWM调制算法将转子侧变换器三相电压给定值
Figure FDA0003701245300000034
作为参考电压生成触发脉冲驱动转子侧变换器中各开关管，输出电机定子三相电压，控制双馈异步电动机运行。
3.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，对转子侧变换器中各开关管的驱动信号进行控制的方式具体为：
当绕组电压给定值大于三角载波时，对应的上开关管驱动信号为高电平，下开关管驱动信号为低电平；当绕组电压给定值小于等于三角载波时，对应的上开关管驱动信号为低电平，下开关管驱动信号为高电平。
4.如权利要求3所述的起动方法，其特征在于，所述三角波的频率为10kHz，最大值为母线电压udc，最小值为负母线电压-udc。
5.一种双馈异步电动机控制***的起动装置，其特征在于，包括：
计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至4任一项所述的双馈异步电动机控制***的起动方法。
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