CN102684583B - 大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法及装置，技术方案为：永磁同步电机在驱动大惯量负载以一定的初速度运行时，在交流输入或直流电源断电瞬间，断开主回路与电源通路，通过检测直流母线环节电压，运用提出的再生回馈控制策略，使得永磁同步电机由电动状态变为发电状态，电机输出的三相交流电经带续流装置的三相全桥逆变电路回馈到直流侧，使得直流母线支撑电容上的电压维持在额定值。然后，在检测到交流输入或直流电源供电恢复时，在直流母线电压未下降或者下降幅值不大的前提下，重新将主回路与电源接通，即进行直流重投，则可削弱或避免断电-重投过程带来的电气及机械冲击。

Description

大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法及装置，属于大惯量负载永磁同步交流电机驱动系统过电分相或供电短时中断恢复的控制技术领域。

背景技术

随着世界化石能源的逐渐枯竭，提高能源利用效率和节约能源已经成为世界范围电气化发展的重要趋势。作为高铁机车、电动汽车及大尺寸螺旋桨等大惯量负载的驱动电机，永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐步取代感应电动机，得到越来越广泛的应用。目前，永磁同步电机作为大惯量负载的驱动电机，与感应电动机相比，由于转子永磁体存在恒定励磁，其四象限驱动技术及特殊工况下的高可靠性控制技术还不够成熟，在驱动系统供电短时中断恢复及机车过分相区等状况下的断电-重投问题是一个难点。国外在这方面的研究已取得一定成果，我国也逐步展开深入的研究。

在电气化铁道中接触网常采用分段换相供电，机车受电弓必须在无电流的情况下进出分相绝缘器，此时电机驱动系统输入侧经历供电中断—再恢复过程，必然导致逆变器输出到电机的断电—重投；电动汽车及螺旋桨等在实际工作过程中，当驱动系统发生短时可恢复型故障时，如直流母线电压短时跌落或保护电路动作及再恢复，也会导致驱动系统逆变器输出到电机的断电—重投。因此，在正常运行工况下，永磁同步电机作为牵引电机不可避免地存在断电-重投问题。

与采用鼠笼结构的感应电机不同，当转子采用永磁体励磁的永磁同步电机在运行过程中进行断电-重投时，会处于不可控发电状态，尤其在高速下电机反电势电压幅值很高，电压波形与逆变器驱动波形差异大，不恰当的驱动电压重新投入势必导致强烈的电流和机械冲击，甚至损毁驱动器和传动机构。由于永磁同步电机转子励磁的特殊性，若在交流侧进行断电-重投控制，无论是采用相位同步法或规划的电压矢量牵入法，还是在动态过程的机理分析、研究的基础上进行切换过程的主动控制方法等，都无法从根本上消除转矩瞬时变化带来的冲击，而且其控制机理及过程复杂，实现困难。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法及装置。

技术方案

一种大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设一个大惯量负载中有n台永磁同步电机工作，检测每台电机的转动惯量为计算得到该大惯量负载的质量为其中，r为车轮或螺旋桨等的半径；

步骤2：通过位置传感器检测得到永磁同步电机的位置角θ，根据得到电机的实际转速ω；

步骤3：计算ω^*为保持给定电压U^*对应的电机转速预定值，式中：C为直流母线电压支撑电容的容值，m为负载质量，η为负载机械能转换到支撑电容端电能的效率；为电机角速度与负载速度或转速之间的系数；U^*为直流侧支撑电容需要保持的电压值，为一常数；U为三相全桥逆变电路直流侧的电压值，通过电压传感器实时获得；

步骤4：将ω^*指令送入转速、电流双闭环控制器的外环控制器的转速信号输入端，双闭环控制器输出电机三相电压u_a、u_b、u_c的指令值，将三相电压u_a、u_b、u_c送入电压型逆变器PWM信号发生装置，逆变器输出三相电压驱动永磁同步电机转动。

所述步骤1中的大惯量负载为电力牵引机车、电动汽车、大尺寸螺旋桨或永磁同步电机驱动的设备。

所述步骤3中的电机预定转速ω^*≤电机实际转速。

所述步骤4中的转速、电流双闭环控制器采用磁场定向控制或直接转矩控制电机控制方式。

一种实现权利要求1～4任一项所述大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法的装置，其特征在于包括供电电源、直流母线支撑电容、带续流装置的三相全桥逆变电路、检测电路和驱动及控制电路；供电电源与直流母线支撑电容并联后与三相全桥逆变电路的直流母线供电端子相连，直流母线支撑电容靠供电电源侧接一个直流母线开关S，开关S与供电电源之间接一个电压检测装置U1用以实时检测供电电源的电压，支撑电容与三相全桥逆变电路之间设一个电压检测装置U2用以实时检测支撑电容两端的电压，控制电路输入端接电压检测U1、U2以及三相永磁电机电流反馈和位置反馈信号，输出端接驱动电路的三相电压信号输入端，驱动电路输出端接三相全桥逆变电路PWM信号输入端，三相全桥逆变电路输出端接电机三相电压输入端。

有益效果

本发明提出的一种大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法及装置，采用以能量转化为基础的再生回馈精确控制策略，从根本上削弱或者避免断电-重投过程带来的强烈的电流和机械冲击，具有稳定、可靠、适用性好的特点。

与现有技术相比，该方法的有益效果在于：

(1)永磁同步电机断电－重投由交流侧重投改为直流侧重投，重投控制参数简化为直流电压幅值，避免在交流侧重投时因交流电压波形的幅值、频率、相位、相序等差异造成的冲击；

(2)通过对电机转速及直流母线电压的控制，将机车或螺旋桨等的动能转化为电能，

储存于直流母线支撑电容中，以维持直流母线电压的额定值；

直流母线电压的控制方法采用能量等效与传统电机控制策略相结合的方法，实现直流母线电压的稳定控制。

附图说明

图1：为本发明总体结构图；

图2：为一种车辆永磁同步电机驱动用控制系统框图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的技术方案为：永磁同步电机在驱动大惯量负载以一定的初速度运行时，在交流输入或直流电源断电瞬间，断开主回路与电源通路，通过检测直流母线环节电压，运用提出的再生回馈控制策略，使得永磁同步电机由电动状态变为发电状态，电机输出的三相交流电经带续流装置的三相全桥逆变电路回馈到直流侧，使得直流母线支撑电容上的电压维持在额定值。由此，借助一定速度的大惯量负载所提供的动能，以永磁电机的减速再生回馈，换得直流母线电压的稳定。然后，在检测到交流输入或直流电源供电恢复时，在直流母线电压未下降或者下降幅值不大的前提下，重新将主回路与电源接通，即进行直流重投，则可削弱或避免断电-重投过程带来的电气及机械冲击。

本发明主要结构如下：

①供电电源E：可为电网单相或三相供电，也可为有限能源供电，如各类型电池或发电机。

②直流母线开关S：继电器、接触器等可控型电力开关。

③电压传感器：直流母线电压传感器V1，直流母线支撑电容电压传感器V2

④直流母线支撑电容C：储能装置

⑤三相全桥逆变电路：带续流装置

⑥三相永磁同步电机

本发明的实施对象为三相永磁同步电机，该电机应用于电力牵引、电动汽车、螺旋桨等大惯量负载中。

具体实施方式：断电-重投系统框图如图1所示，其中包括供电电源、直流母线支撑电容、带续流装置的三相全桥逆变电路、检测电路、驱动及控制电路等组件。其工作原理为：断电时，直流母线支撑电容两端的电压U₂逐步减小，通过直流母线支撑电容电压传感器V2检测，当U₂小于一定的值时，认为进入断电状态，此时切断直流母线开关S，并控制永磁同步电机由电动状态变为再生发电状态，使得电机输出的三相交流电经带续流装置的三相全桥逆变电路整流后向直流母线支撑电容充电，使电容两端电压值维持在额定电压值；当直流母线电压传感器V2检测到供电恢复时，控制直流母线支撑电容电压U₂与输入侧直流电压U₁幅值一致，并闭合直流母线开关S，达到无电压差、无电流冲击重投，从而削弱或避免引发电气及机械冲击。

本发明以车辆用永磁同步电机为例介绍其实施方式，具体分为以下几个步骤：

①给定电压U^*为直流侧支撑电容需要保持的电压值，U为三相全桥逆变电路直流侧的电压值，可通过电压传感器实时获得。

②由于车辆的质量是一个在线时常变化的量，本发明选择常用的二分法或模型参考自适应等在线识别的方法对电机进行惯量辨识，从而得到车辆的质量。具体过程为：假设一节车厢存在四根轴，每根轴上配备一台电机，每台电机检测到的转动惯量为J，车轮滚动半径为r，则：

$J\frac{{\mathrm{mr}}^2}{4}---\left(1\right)$

则车辆质量可表示为：

$m=\frac{4J}{r^2}---\left(2\right)$

则系数k_m可表示为：

$k_m=\frac{C}{\mathrm{m\η}}---\left(3\right)$

③通过位置传感器得到永磁同步电机的位置角θ，由得到电机的实际转速ω。

④将U^*、U、k_m、ω送入电压控制器中，进行以下计算：

${\mathrm{\ω}}^{*}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-\frac{k_m}{k^2}(U^{*2}-U^2)}---\left(4\right)$

其中ω^*为保持给定电压U^*对应的电机转速预定值。

⑤在本实施例中，将ω^*指令送入转速、电流双闭环控制器的外环控制器的转速信号输入端，双闭环控制器输出电机三相电压u_a、u_b、u_c的指令值，将三相电压u_a、u_b、u_c送入电压型逆变器PWM信号发生装置，逆变器输出三相电压驱动永磁同步电机转动。

最后，永磁同步电机通过检测装置中的电流传感器和位置传感器将三相电流信号、电机位置信号θ以及电机转速信号ω反馈回转速、电流双闭环控制器。

Claims (5)

1.一种大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设一个大惯量负载中有n台永磁同步电机工作，检测每台电机的转动惯量为计算得到该大惯量负载的质量为其中，r为车轮或螺旋桨的半径；

步骤2：通过位置传感器检测得到永磁同步电机的位置角θ，根据得到电机的实际转速ω；

步骤3：计算ω^*为保持给定电压U^*对应的电机转速预定值，式中：C为直流母线电压支撑电容的容值，m为负载质量，η为负载机械能转换到支撑电容端电能的效率；为电机角速度与负载速度或转速之间的系数；U^*为直流侧支撑电容需要保持的电压值，为一常数；U为三相全桥逆变电路直流侧的电压值，通过电压传感器实时获得；

步骤4：将ω^*指令送入转速、电流双闭环控制器的外环控制器的转速信号输入端，双闭环控制器输出电机三相电压u_a、u_b、u_c的指令值，将三相电压u_a、u_b、u_c送入电压型逆变器PWM信号发生装置，逆变器输出三相电压驱动永磁同步电机转动。

2.根据权利要求1所述大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法，其特征在于：所述步骤1中的大惯量负载为电力牵引机车、电动汽车、大尺寸螺旋桨类型的永磁同步电机驱动的设备。

3.根据权利要求1所述大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法，其特征在于：所述步骤3中的电机预定转速ω^*≤电机实际转速。

4.根据权利要求1所述大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法，其特征在于：所述步骤4中的转速、电流双闭环控制器采用磁场定向控制或直接转矩控制电机控制方式。

5.一种实现权利要求1～4任一项所述大惯量负载永磁同步电机驱动断电-重投控制方法的装置，其特征在于包括供电电源、直流母线支撑电容、带续流装置的三相全桥逆变电路、检测电路和驱动及控制电路；供电电源与直流母线支撑电容并联后与三相全桥逆变电路的直流母线供电端子相连，直流母线支撑电容靠供电电源侧接一个直流母线开关(S)，开关(S)与供电电源之间接一个第一检测装置用以实时检测供电电源的电压，支撑电容与三相全桥逆变电路之间设一个第二检测装置用以实时检测支撑电容两端的电压，控制电路输入端接第一检测装置、第二检测装置以及三相永磁电机电流反馈和位置反馈信号，输出端接驱动电路的三相电压信号输入端，驱动电路输出端接三相全桥逆变电路PWM信号输入端，三相全桥逆变电路输出端接电机三相电压输入端。