磁链控制下异步电机ＶＶＶＦ控制用直流预励磁起动方法技术

磁链控制下异步电机ＶＶＶＦ控制用直流预励磁起动方法属于异步电机起动控制技术领域，其特征在于，在起动过程中合成励磁电流矢量和起动电压矢量的夹角为９０度，并根据ＶＶＶＦ控制已知的电压矢量方向对电流进行分解得到无功电流反馈值，经增益放大换成电压调节值对磁链进行控制，本发明专利技术用一个ＤＳＰ芯片依次对直流预励磁和起动过程进行控制。对起动过程中后续出现的尖峰电流具有抑制的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及增加变频调速系统起动转矩、减小起动电流从而改善变频器-异 步电机系统的起动性能，属于电力电子应用

技术介绍
起动性能是衡量变频器_异步电机调速系统的重要指标之一。基于矢量控制理论 的闭环控制方法能改善起动性能，但在中大容量的闭环调速系统中，由于开关频率低、开关 器件最小脉宽限制以及电机参数辨识、死区补偿困难等因素，削弱了闭环控制的效果。电机 起动过程中低速阶段由于磁链观测困难，闭环控制难以发挥出设计效果。与矢量控制的变 频调速系统相比，VVVF (恒压频比控制模式)开环控制系统具有不依赖电机参数，不需要速 度反馈，控制方法简单，实现容易等特点，广泛应用于变频调速的风机与水泵等系统。因此 研究一种适用于VVVF开环控制系统的高性能的异步电机的起动控制方法，对于变频器-异 步电机系统，尤其是中大容量系统十分重要。实验中发现，对于55kW，150kff, 315kff的VVVF开环控制调速系统中，在电机低频起 动时很容易出现很大的冲击电流。这种过大的起动电流会对变频器-电机系统的电机绝 缘，开关器件以及系统安全运行造成极大的危害，另外还会造成其他的影响如(1)为了避免过大的起动电流，经常需要增加器件裕量。对于采用器件并联结构的 变频器，将在增加器件成本的同时增大变频器的体积与散热器制造成本。(2)尽管产生的冲击电流大，但是输出转矩并不大，因此电机从静止状态带大转矩 负荷起动时，会经常出现无法起动的情况。(3)过大的起动电流不仅会对自身设备造成伤害，而且可能会拉低电网电压，影响 同一电网上其他电气设备正常运行。采用传统的VVVF方式直接起动电机时，电机内部磁链与反电势几乎为零，起始电 压几乎完全加在定子漏抗上，造成很大的励磁涌流，而实际与磁链正交的电流分量比例很 低，这是传统的VVVF控制下异步电机起动电流大却输出转矩低的主要原因。提高VVVF控 制下电机起动转矩的一种有效途径是采用直流预励磁控制方法，即在电机起动前先建立固 定方向与幅值的直流磁链，该方法对起动过程中的第1尖峰电流抑制效果明显。常规的直 流预励磁技术在电机起动前在机端施加直流电压从而在电机内部注入直流电流，建立固定 方向的直流磁链，然后直接进入传统的VVVf开环控制电机起动状态。其理论基础为起动 前进行直流预励磁时，转子不动，控制定子电流幅值为Ici,则定子磁链ψ3 = Ls · I0+Lm-Ir (1)式中Ls为定子电感，Lm为互感。通过励磁电流闭环系统，维持励磁电流以Itl为中 心上下小幅波动，当控制励磁电流达到稳定时，转子电流Ir = 0，因此有￥s = Ls · I0(2)当预励磁完毕，电机起动瞬间的矢量图如图1所示。其中Isl为励磁电流矢量，Us2 为起动瞬间的定子电压矢量。图1中预励磁结束并切换到电机起动的瞬间，当At足够小时，认为电机中的电流 几乎不变，即Isl = Is2(Isl为稳态预励磁电流矢量，Is2为起动瞬间励磁电流矢量)，此时磁 链增量为(3)式中Us2为定子电压矢量，Rs为定子电阻。在两边同时叉乘Is2有 +风=,风(4)由于(=A (C'.,)(5)得到d' (6)式中Pn为电机极对数。在电机起动前通过直流预励磁建立方向与幅值恒定的直流磁链，能有效防止起动 过程中的励磁涌流，而且根据(6)，若在电机起动瞬间发出与励磁电流正交的电压矢量，就 能产生在相同电流情况下的最大转矩变化率，从而提高起动性能。但是可以看到常规的直 流预励磁方法发挥作用的一个重要前提是起动时定子磁链以及定子电流状态与预励磁中 两者的状态需保持一致。即式(6)所能达到的电流抑制效果只能在起动过程的前几个开关 周期内起作用，随着定子磁链开始旋转，式(6)中的正交关系将难以保证，因此预励磁效果 也将迅速减弱。因此该方法对起动过程中后续出现的尖峰电流抑制效果有限。本文在详细 分析电机起动大电流原因与直流预励磁技术基本原理的基础上，在异步电机VVVF直流预 励磁起动过程中尝试加入磁链控制，以期获得更好的起动性能。
技术实现思路
若要拓宽预励磁作用的有效区间，使其对起动过程内的后续尖峰电流产生抑制效 果，关键在于式(6)在整个起动过程中成立条件。根据(3) (5)得到(6)的完整表达式，正如(7)和⑶所示K 礼”々、(7)^ = P ((U,2 ‘ Λ, ■ Rs) Λ, + Ψ, ⑴atat根据定子电压矢量的方向对定子电流分解，得到有功电流Isd与无功电流Isq。若 在起动过程中无功电流Isq恒定，即dlsq/dt = 0，则定子磁链幅值| Ψ」基本稳定，将⑶ 式按定子电压定向坐标系展开得到^ ==P (U,rih,+w^d(L+dt'1))⑷^ Pjus2-+式(9)中的第一项仅与输入的定子电压有关，第二项仅与有功电流的变化率有 关。因此起动过程中转矩变化率可以近似表示为今m”，dJp(10)而电机开始起动的瞬间，电压矢量方向与电流方向正交，Isq= Isl，dlsd/dt = 0，代入(10)得到Δ T0 = pn (Us · j Isl) · At (11)与式(6) —致，因此可以认为常规预励磁方法是(10)式在起动瞬间的特例。结合 (10)和(11)可以得到dlsq/dt = 0时，全起动过程中的转矩增量表达式Γ^r0 = Pn(Us-Jiii)-ML0034」 ΛΤ^Μ /,.ννΔ + ν/,ΘΔ/,,)(12)根据式(12)实现的起动控制方法不受类似式(6)中的前提条件的限制，其有效区 间能覆盖到整个起动过程中，而且转矩增量直接与输出电压相关，控制响应更快。本专利技术的目的是，提出一种基于磁链控制下的异步电机VVVF控制系统直流预励 磁起动方法，以有效降低整个起动过程中的尖峰电流，提高电流对称度，增加起动转矩，挖 掘出传统直流预励磁技术更大的起动能力。本专利技术提出的磁链控制下直流预励磁起动方法包括以下步骤1本专利技术首先在理论上确定常规的直流预励磁起动是本专利技术提出的磁链控制下直 流预励磁起动方法的一种特例。起动过程中合成励磁电压矢量和起动电压矢量角度之间的 夹角直接设为90度，不再需要预先进行“系统性实验”得到优化电压矢量角度。2.预励磁阶段结束后的起动过程中，根据VVVF控制已知的电压矢量方向对电流 进行分解得到无功电流反馈值，经过增益放大转换成电压调节值对磁链轨迹进行控制。3.通过系统性实验(5次左右即可)，确定无功电流控制参数放大增益系数为 0. 1，带通滤波器下限截止频率为5Hz，上限截止频率为100Hz。上述步骤中，选用的无功电流控制参数有以下特点DKl取值范围为0. 05至0. 3，实验选取0. 1，增益值kl越大，磁链控制效果越明 显，但kl过大会引起磁通饱和与系统稳定性问题。2)带通滤波器的下限截止频率应接近0Hz，上限截止频率应低于开关频率。这样 既可以保留无功电流波动部分又能滤除采样信号中的高频噪声。1.磁链控制下异步电机VVVF控制用直流预励磁起动方法，其特征在于，所述方法 是在数字处理芯片DSP控制下依次按以下步骤实现的步骤(1)，所述DSP芯片初始化，设定预励磁时间，大于10 τ，小于1秒，τ为电机定转子总回路时间常数，以使得励磁 过程中转子侧感应的电流衰减到稳定值，目标激磁电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
磁链控制下异步电机ＶＶＶＦ控制用直流预励磁起动方法，其特征在于，所述方法是在数字处理芯片ＤＳＰ控制下依次按以下步骤实现的：步骤（１），所述ＤＳＰ芯片初始化，设定：预励磁时间，大于１０τ，小于３秒，τ为电机定转子总回路时间常数，以使得励磁过程中转子侧感应的电流衰减到稳定值，目标激磁电流，设为０．７，标么值，起动参数的初始值：起动频率ｆ↓［０］，设为０．０１，标么值，起动电压，设为０．０２５５，标么值，起动时间，设为８０秒起动时刻，初始角度θ↓［０］，设θ↓［０］为９０°，起功过程中无功电流控制回路的放大倍数ｋ１＝０．１；步骤（２），建立固定方向与幅值的直流磁场，进行直流预励磁：异步电机定子直流激磁电流的反馈值依次通过霍尔传感器，采样信号调理电路和模数转换电路与所述用于预励磁的目标激磁电流一起送入ＰＩ调节器；所述的ＰＩ调节器按照Ｆ（ｓ）－Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ，其中Ｋｐ＝０．１，Ｋｉ＝０．２的方式输出不同大小的有效激励电压矢量，送入所述ＤＳＰ芯片内的空间矢量脉宽调制器ＳＶＰＷＭ，Ｔ↓［１］＝Ｖ↓［ｏｕｔ］／ＥＴ↓［ｓ］Ｖ↓［ｏｕｔ］为有效激励电压矢量，设定值，Ｅ为直流母线电压，设定值，Ｔｓ为开关周期，设定值，Ｔ１为生成占空比；生成相应不同的电压调制比，经ＩＧＢＴ逆变器输入到所述异步机定子中，在１０τ时间内，维持激励电流稳定；步骤（３），按以下步骤通过所述ＤＳＰ芯片实现对无功电流的控制：步骤（３．１），把给定的系统目标频率ｆ↓［ｇ］输入到一个斜坡函数发生电路，产生当前时刻给定频率ｆ↑［＊］：ｆ↑［＊］＝ｆ↓［０］＋Δｔ.（ｆ↓［１］－ｆ↓［０］）／ｔ↓［１］，其中：ｆ↓［１］为额定频率，为５０Ｈｚ，ｆ↓［０］为起动频率，ｔ↓［１］为上升时间，设定值，Δｔ为起动时间变化量设定值，当得到的ｆ↑［＊］＞＝ｆ↓［ｇ］时取ｆ↑［＊］＝ｆ↓［ｇ］，步骤（３．２）把步骤（３．１）得到的当前时刻给定频率ｆ↑［＊］输入到一个频率－电压变频电路Ｖ／Ｆ得到输出电压Ｖ↓［ｍ］：Ｖ↓［ｍ］＝Ｖ↓［０］＋ｆ↑［＊］.（Ｖ↓［１］－Ｖ↓［０］）／（ｆ↓［１］－ｆ↓［０］）Ｖ１为额定电压，同时把所述当前时刻给定频率ｆ↑［＊］输入到一个频率积分电路得到起动起始时刻定子电压与激磁电流之间的角度θ，θ＝∫２π.ｆ↑［＊］ｄｔ＋θ↓［０］，θ↓［０］为起动时刻初始角度，选为θ↓［０］＝９０°，再把θ值送往一片ＰＡＲＫ变换电路；步骤（３．３）起动时刻的三相定子电流依次经...

【技术特征摘要】
磁链控制下异步电机VVVF控制用直流预励磁起动方法，其特征在于，所述方法是在数字处理芯片DSP控制下依次按以下步骤实现的步骤(1)，所述DSP芯片初始化，设定预励磁时间，大于10τ，小于3秒，τ为电机定转子总回路时间常数，以使得励磁过程中转子侧感应的电流衰减到稳定值，目标激磁电流，设为0.7，标么值，起动参数的初始值起动频率f0，设为0.01，标么值，起动电压，设为0.0255，标么值，起动时间，设为80秒起动时刻，初始角度θ0，设θ0为90°，起功过程中无功电流控制回路的放大倍数k1＝0.1；步骤(2)，建立固定方向与幅值的直流磁场，进行直流预励磁异步电机定子直流激磁电流的反馈值依次通过霍尔传感器，采样信号调理电路和模数转换电路与所述用于预励磁的目标激磁电流一起送入PI调节器；所述的PI调节器按照F(s) Kp+Ki/s，其中Kp＝0.1，Ki＝0.2的方式输出不同大小的有效激励电压矢量，送入所述DSP芯片内的空间矢量脉宽调制器SVPWM， <mrow><msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>V</mi><mi>out</mi> </msub> <mi>E</mi></mfrac><msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi></msub> </mrow>Vout为有效激励电压矢量，设定值，E为直流母线电压，设定值，Ts为开关周期，设定值，T1为生成占空比；生成相应不同的电压调制比，经IGBT逆变器输入到所述异步机定子中，在10τ时间内，维持激励电流稳定；步骤(3)，按以下步骤通过所述DSP芯片实现对无功电流的控制步骤(3.1)，把给定的系统目标频率fg输入到一个斜坡函数发生电路，产生当前时刻给定频率f* <mrow><msup> <mi>f</mi> <mo>*</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>&Delta;t</mi><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <msub><mi>t</mi><mn>1</mn> </msub></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中f1为额定频率，为50Hz，f0为起动频率，t1为上升时间，设定值，Δt为起动时间变化量设定值，当得到的f*＞＝fg时取f*＝fg，步骤(3.2)把步骤(3.1)得到的当前时刻给定频率f*输入到一个频率 电压变频电路V/F得到输出电压Vm <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msup> <mi>f</mi> <mo>*</mo></msup><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>V</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow>V1为额定电压，同时把所述当前时刻给定频率f*输入到一个频率积分电路得到起动起始时刻定子电压与激磁电流之间的角度θ，θ＝∫2π·f*dt+θ0，θ0为起动时刻初始角度，选为θ0＝90°，再把θ值送往一片PARK变换电路；步骤(3.3)起动时刻的三相定子电流依次经过所述霍尔传感器、采样信号调理电路、采样频率为3.2kHz的模数转换器后转换为相应的三相定子电流信号的数字值Ia、Ib、Ic，经过CLARK变换电路后得到静止坐标系中的两相电流值，Iα，Iβ <mrow><mfenced open='[' close=']'> <mtable><mtr> <mtd><msub> <mi>I</mi> <mi>&alpha;</mi></msub> </mtd></mtr><mtr> <mtd><msub> <mi>I</mi> <mi>&beta;</mi></msub> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mo>=</mo><mfenced open='[' close=']'> <mtable><mtr> <mtd><mn>1</mn> </mtd> <mtd><mo>-</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac> </mtd> <mtd><mo>-</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mn>0</mn> </mtd> <mtd><mfrac> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt> <mn>2</mn></mfrac> </mtd> <mtd><mo>-</mo><mfrac> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt> <mn>2</mn></mfrac> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mfenced open='[' close=']'> <mtable><mtr> <mtd><msub> &l...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡斯登，赵争鸣，袁立强，鲁挺，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]