一種交流勵磁同步電機控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種交流勵磁同步電機控制裝置及方法，屬于機電控制工程領(lǐng)域，本發(fā)明采用變頻控制器對繞線式電機轉(zhuǎn)子繞組進行交流勵磁的方法，通過轉(zhuǎn)子控制電機的勵磁電流，提高勵磁效率，使系統(tǒng)的容量降至電機容量的20％以內(nèi)，大幅度減少了變頻控制器的容量，大大降低了設(shè)備成本；而電機運行的有功功率通過電網(wǎng)由定子繞組提供，可以控制到定子側(cè)功率因數(shù)為1，勵磁控制使調(diào)速系統(tǒng)更加合理，高效，實現(xiàn)四象限運行。
【專利說明】一種交流勵磁同步電機控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機電控制工程領(lǐng)域，具體涉及一種交流勵磁同步電機控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的變頻調(diào)速系統(tǒng)基本都是將變頻器作用于交流電機的定子端，不僅要提供電機運行的有功電流，還要提供維持磁場的勵磁電流，導(dǎo)致變頻器容量必須大于等于電機容量，這樣一來變頻器使用的開關(guān)管、電容器、電抗器，甚至導(dǎo)線等所有元器件的容量選擇、耐壓及電流額定值都要足夠大，使其與電機匹配，特別是在一些兆瓦級系統(tǒng)中需要大量開關(guān)器件的串聯(lián)以實現(xiàn)電機的控制，造成變頻器成本很高。現(xiàn)有的交流異步電機勵磁效率太低，浪費能源；交流同步電機需要獨立的勵磁單元或造價昂貴的永磁體，大大提高了系統(tǒng)的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種交流勵磁同步電機控制裝置及方法，以達到提高勵磁效率、使系統(tǒng)的容量降至電機容量的20%以內(nèi)、大幅度減少變頻控制器的容量、降低設(shè)備成本，實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)更加合理、高效的目的。
[0004]一種交流勵磁同步電機控制裝置，包括頻率轉(zhuǎn)換模塊、轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)子電流計算模塊、電流環(huán)調(diào)節(jié)器、SVPWM模塊、坐標變換模塊、第一角度轉(zhuǎn)換模塊、第二角度轉(zhuǎn)換模塊、逆變器、定子磁鏈計算模塊、第一電流互感器和第二電流互感器，其中，
[0005]頻率轉(zhuǎn)換模塊:用于根據(jù)電網(wǎng)工頻與目標頻率之間的關(guān)系，獲得設(shè)定的目標頻率所對應(yīng)的勵磁目標頻率，并將勵磁目標頻率發(fā)送至轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器中；
[0006]轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器:初始狀態(tài)時，用于采用PI控制算法對勵磁目標頻率進行計算，獲得轉(zhuǎn)子勵磁頻率，并將轉(zhuǎn)子勵磁頻率發(fā)送至轉(zhuǎn)子電流計算模塊；產(chǎn)生反饋信號時，用于采用PI控制算法對勵磁反饋頻率與勵磁目標頻率之間的偏差進行計算，獲得新的轉(zhuǎn)子勵磁頻率，并將新的轉(zhuǎn)子勵磁頻率發(fā)送至轉(zhuǎn)子電流計算模塊；
[0007]轉(zhuǎn)子電流計算模塊:用于根據(jù)轉(zhuǎn)子勵磁頻率和轉(zhuǎn)子勵磁電壓之間的線性關(guān)系，確定獲得的轉(zhuǎn)子勵磁頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子勵磁電壓；再根據(jù)電機反電勢、電機轉(zhuǎn)子電阻、電機轉(zhuǎn)子電感、電機滑差與轉(zhuǎn)子勵磁電壓之間的關(guān)系，獲得給定轉(zhuǎn)子勵磁電流，并將給定轉(zhuǎn)子勵磁電流發(fā)送至電流環(huán)調(diào)節(jié)器中；
[0008]電流環(huán)調(diào)節(jié)器:初始狀態(tài)時，用于采用PI控制算法對給定轉(zhuǎn)子勵磁電流進行計算，獲得參考電壓矢量，并發(fā)送至SVPWM模塊中；當產(chǎn)生反饋信號時，用于采用PI控制算法對反饋轉(zhuǎn)子電流與給定轉(zhuǎn)子勵磁電流之間的差值進行計算，獲得新的參考電壓矢量，并發(fā)送至SVPWM模塊中；
[0009]SVPWM模塊:用于采用空間矢量調(diào)制方法，根據(jù)給定的系統(tǒng)直流母線電壓值對參考電壓矢量的幅值進行限制；并根據(jù)獲得的定子磁鏈電角度、電機轉(zhuǎn)子的初始機械空間電角度、勵磁電流空間磁鏈電角度和拉力電角度確定參考電壓矢量旋轉(zhuǎn)的角度，獲得逆變器中六個開關(guān)管的驅(qū)動信號，并發(fā)送至逆變器中；
[0010]逆變器:用于將直流母線電壓通過三路六個開關(guān)管逆變成三相交流電壓，發(fā)送驅(qū)動信號，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子的驅(qū)動，控制電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動；
[0011]定子磁鏈計算模塊:用于對采集的電網(wǎng)三相電流進行計算，獲得定子磁鏈電角度，并發(fā)送至SVPWM模塊中；
[0012]坐標變換模塊:包括克拉克變換及帕克變換，用于對采集的三相轉(zhuǎn)子電流進行坐標變換，獲得反饋轉(zhuǎn)子電流；
[0013]第一角度轉(zhuǎn)換模塊:用于對勵磁目標頻率進行角度轉(zhuǎn)換，獲得勵磁電流空間磁鏈電角度，并將獲得的勵磁電流空間磁鏈電角度發(fā)送至SVPWM模塊；
[0014]第二角度轉(zhuǎn)換模塊:用于對實際轉(zhuǎn)動頻率進行角度變換，獲得實際轉(zhuǎn)子機械空間電角度，并將實際轉(zhuǎn)子機械空間電角度反饋至SVPWM模塊；
[0015]第一電流互感器:用于采集電網(wǎng)三相電流，并將采集的電網(wǎng)三相電流發(fā)送至定子磁鏈計算模塊中；
[0016]第二電流互感器:用于采集三相轉(zhuǎn)子電流，將三相轉(zhuǎn)子電流發(fā)送至克拉克-帕克變換模塊中。
[0017]所述的電機采用繞線式電機。
[0018]該裝置功率容量為電機定子側(cè)功率容量的20%以內(nèi)，用于提供轉(zhuǎn)子勵磁所需能量。
[0019]采用交流勵磁同步電機控制裝置進行控制的方法，包括以下步驟:
[0020]步驟1、采用第一電流互感器檢測電網(wǎng)三相電流，并將采集到的電網(wǎng)三相電流通過定子磁鏈計算模塊計算獲得定子磁鏈電角度，并發(fā)送至SVPWM模塊中；
[0021]計算獲得定子磁鏈電角度的公式如下:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種交流勵磁同步電機控制裝置，其特征在于，包括頻率轉(zhuǎn)換模塊、轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)子電流計算模塊、電流環(huán)調(diào)節(jié)器、SVPWM模塊、坐標變換模塊、第一角度轉(zhuǎn)換模塊、第二角度轉(zhuǎn)換模塊、逆變器、定子磁鏈計算模塊、第一電流互感器和第二電流互感器，其中， 頻率轉(zhuǎn)換模塊:用于根據(jù)電網(wǎng)工頻與目標頻率之間的關(guān)系，獲得設(shè)定的目標頻率所對應(yīng)的勵磁目標頻率，并將勵磁目標頻率發(fā)送至轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器中； 轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器:初始狀態(tài)時，用于采用PI控制算法對勵磁目標頻率進行計算，獲得轉(zhuǎn)子勵磁頻率，并將轉(zhuǎn)子勵磁頻率發(fā)送至轉(zhuǎn)子電流計算模塊；產(chǎn)生反饋信號時，用于采用PI控制算法對勵磁反饋頻率與勵磁目標頻率之間的偏差進行計算，獲得新的轉(zhuǎn)子勵磁頻率，并將新的轉(zhuǎn)子勵磁頻率發(fā)送至轉(zhuǎn)子電流計算模塊； 轉(zhuǎn)子電流計算模塊:用于根據(jù)轉(zhuǎn)子勵磁頻率和轉(zhuǎn)子勵磁電壓之間的線性關(guān)系，確定獲得的轉(zhuǎn)子勵磁頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子勵磁電壓；再根據(jù)電機反電勢、電機轉(zhuǎn)子電阻、電機轉(zhuǎn)子電感、電機滑差與轉(zhuǎn)子勵磁電壓之間的關(guān)系，獲得給定轉(zhuǎn)子勵磁電流，并將給定轉(zhuǎn)子勵磁電流發(fā)送至電流環(huán)調(diào)節(jié)器中； 電流環(huán)調(diào)節(jié)器:初始狀態(tài)時，用于采用PI控制算法對給定轉(zhuǎn)子勵磁電流進行計算，獲得參考電壓矢量，并發(fā)送至SVPWM模塊中；當產(chǎn)生反饋信號時，用于采用PI控制算法對反饋轉(zhuǎn)子電流與給定轉(zhuǎn)子勵磁電流之間的差值進行計算，獲得新的參考電壓矢量，并發(fā)送至SVPWM模塊中； SVPWM模塊:用于采用空間矢量調(diào)制方法，根據(jù)給定的系統(tǒng)直流母線電壓值對參考電壓矢量的幅值進行限 制；并根據(jù)獲得的定子磁鏈電角度、電機轉(zhuǎn)子的初始機械空間電角度、勵磁電流空間磁鏈電角度和拉力電角度確定參考電壓矢量旋轉(zhuǎn)的角度，獲得逆變器中六個開關(guān)管的驅(qū)動信號，并發(fā)送至逆變器中； 逆變器:用于將直流母線電壓通過三路六個開關(guān)管逆變成三相交流電壓，發(fā)送驅(qū)動信號，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子的驅(qū)動，控制電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動； 定子磁鏈計算模塊:用于對采集的電網(wǎng)三相電流進行計算，獲得定子磁鏈電角度，并發(fā)送至SVPWM模塊中； 坐標變換模塊:包括克拉克變換及帕克變換，用于對采集的三相轉(zhuǎn)子電流進行坐標變換，獲得反饋轉(zhuǎn)子電流； 第一角度轉(zhuǎn)換模塊:用于對勵磁目標頻率進行角度轉(zhuǎn)換，獲得勵磁電流空間磁鏈電角度，并將獲得的勵磁電流空間磁鏈電角度發(fā)送至SVPWM模塊； 第二角度轉(zhuǎn)換模塊:用于對實際轉(zhuǎn)動頻率進行角度變換，獲得實際轉(zhuǎn)子機械空間電角度，并將實際轉(zhuǎn)子機械空間電角度反饋至SVPWM模塊； 第一電流互感器:用于采集電網(wǎng)三相電流，并將采集的電網(wǎng)三相電流發(fā)送至定子磁鏈計算模塊中； 第二電流互感器:用于采集三相轉(zhuǎn)子電流，將三相轉(zhuǎn)子電流發(fā)送至克拉克-帕克變換模塊中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流勵磁同步電機控制裝置，其特征在于，所述的電機采用繞線式電機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流勵磁同步電機控制裝置，其特征在于，該裝置功率容量為電機定子側(cè)功率容量的20%以內(nèi)，用于提供轉(zhuǎn)子勵磁所需能量。
4.采用權(quán)利要求1所述的交流勵磁同步電機控制裝置進行控制的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、采用第一電流互感器檢測電網(wǎng)三相電流，并將采集到的電網(wǎng)三相電流通過定子磁鏈計算模塊計算獲得定子磁鏈電角度，并發(fā)送至SVPWM模塊中； 計算獲得定子磁鏈電角度的公式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制的方法，其特征在于，步驟7-2所述的拉力角取值為±90°，當λ =90°時，為電動狀態(tài)，當λ =-90°時，為回饋狀態(tài)。
【文檔編號】H02P21/14GK103944478SQ201410139381
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】滿永奎, 劉培斌, 邊春元, 宋崇輝 申請人:東北大學(xué)