一種高壓同步電機全數位化矢量控制裝置的製作方法

2023-06-10 12:20:46 3

專利名稱：一種高壓同步電機全數位化矢量控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種同步電機變頻控制裝置，尤其是一種交一直一交 的變頻裝置，主要用於高壓同步電機全數位化矢量控制。
技術背景在大功率交流同步電機傳動方面，以交-交變頻調速傳動為主。一 般為幾百千瓦至數千千瓦。在水泥，釆礦與礦山行業、冶金行業、化 工，石油與天然氣行業、有色金屬等特別是礦山的大型礦井提升機傳 動與調速等領域已有較多的應用。大容量、低轉速、高過載、響應快、 四象限運行等傳動領域主要用於礦井提升機和鋼鐵廠的主軋機，在此 類系統中應用的大多是大功率同步電機，我國目前在高壓大功率同步 電機控制系統中採用的技術是主要是交交控制方式的變頻，而該類型 的變頻器特點是在應用過程中諧波大對電網的汙染很嚴重，結構復 雜，可靠性差等。高壓大功率同步電機變頻器，目前來說以交交變頻為主，交交變頻器由於其控制原理方式的制約，造成其功能和應用範圍受限，交交 變頻器的結構方式把電網頻率的交流電變成可調頻率的交流電，改變切換頻率，就可改變輸出頻率；改變交流電路的控制a，就可以改變交流輸出電壓幅值；輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網電壓 段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和 轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。輸出波形畸變和輸出上限 頻率的關係，很難確定明確界限。當採用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高於電網頻率的1/3—1/2。電網頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為 20Hz。主要缺點
1、 受電網頻率和變流電路脈波數的限制，輸出頻率較低；2、 輸入功率因數較低；3、 輸入電流諧波含量大，頻譜複雜。發明內容本發明的目的是克服現有技術的缺陷，提供一種新穎高壓同步電 機全數位化矢量控制裝置；該裝置具有電網汙染小無需無功補償設 備、快速響應、調速比範圍寬、恆轉矩起動、四象限運行等特點。為實現上述發明目的， 一種高壓同步電機全數位化矢量控制裝置，包括高壓輸入移相隔離變壓器、帶能量回饋的功率單元模塊， 將所述率單元相互串聯實現三相高壓變頻輸出，其特徵在於所述高壓同步電機全數位化矢量控制裝置還包括由數位訊號處理器DSP、可編程邏輯器件和相關外圍電路組成的全數位化高壓同步電機矢量控制器、與被控高壓同步電機同軸相連的轉子位置及速度反饋編碼器、變頻器輸出電流檢測傳感器、單元控制電路UFC;所述外圍電路包括光纖接口、上位監控系統；所述上位監控系統是用於給定頻率，接收控制系統的上報信息。本發明所述高壓輸入移相隔離變壓器副邊釆用延邊三角型移相 隔離降壓共18繞組輸出，18組分成三相每相六組，每相繞組彼此移 相10° ,其輸入為高壓三相交流電，經移相隔離降壓輸出後輸出三 相低壓交流電壓連接到所述的功率單元模塊輸入端R、 S、 T。本發明所述帶能量回饋的功率單元模塊的三相交流輸入電壓R、 S、 T端為移相隔離變壓器的輸出，經過電容器、電感器緩衝和濾波 環節連接到三相同步整流絕緣柵雙極性電晶體IGBT上，同步整流後 經電容、電阻濾波成直流電壓，再經4個IGBT連接成H橋進行電壓 逆變，對所述逆變IGBT的控制是由全數位化高壓同步電機矢量控制 器中的脈寬調製器PWM發出的信號經光纖發送到單元控制電路 UFC控制H橋的逆變。
本發明所述的功率單元模塊採用串聯連接方式，每個功率單元模塊的輸入為R、 S、 T端，每個功率單元模塊的輸出為L1、 L2，每個 單元模塊的Ll與上一級同相的功率單元模塊的L2相連接，在最頂 層三相功率單元模塊的Ll連接到一起成中性點N,各相最底層功率 單元的L2作為變頻器輸出。本發明所述速度與位置傳感器的旋轉部分與電機轉子同軸相連， 固定部分與電機座相連，位置及速度信號傳輸給全數位化高壓同步電 機矢量控制器。本發明所述全數位化高壓同步電機矢量控制器，其輸入信號為上 位監控系統頻率給定值n*、高壓同步電機同軸相連的轉子位置及速 度反饋編碼器信號經位置速度處理電路生成轉速n和轉子位置信號 6、變頻器輸出電流檢測傳感器信號、功率單元模塊狀態信息，所述 全數位化同步電機矢量控制器輸出信號為控制功率單元模塊的PWM 信號，所述PWM信號，由全數位化高壓同步電機矢量器內三相光纖 接口板處理，經光纖接口與各功率單元的UFC控制各相功率單元； 所述全數位化同步電機矢量控制器根據上位監控系統頻率給定值和 速度反饋信號經DSP計算相比較，所述DSP計算出速度誤差，然後 在DSP中的比例、微分、積分器PID中進行調節，所述DSP輸出轉 矩電流Iqref,所述三相電機的反饋電流是根據電機轉子的位置9經 矢量變換後輸出勵磁電流Id、電樞電流Iq，所述勵磁電流Id、電樞 電流Iq與給定的Idref、 Iqref進行比較，然後經DSP進行PID調節， 再經DSP進行矢量變換後輸出三相的PWM脈衝PWMA、 PWMB、 PWMC，所述三相PWM脈衝經移相處理後，經三相光纖接口板A、 B、 C輸出到各功率單元控制電路UFC分別控制三相功率單元模塊。本發明所產生的技術效果在於解決現有技術不能實現的特點；解決高壓大功率同步電機變頻器對電網的諧波汙染問題；
解決高壓大功率同步電機變頻器的快速響應問題； 解決高壓大功率同步電機變頻器的恆轉矩輸出問題； 解決高壓大功率同步電機變頻器的調速比範圍小的問題； 解決高壓大功率同步電機變頻器的四象限運行問題。


圖i是本發明的系統原理圖；圖2是本發明的全數位化高壓同步電機矢量控制器圖；酌是本發明的全數位化高壓同步電機矢量控制軟體結構圖；圖4是本發明的速度環流程圖；圖5是本發明的電流環流程圖； 圖6是本發明的能量回饋功率單元電氣圖。
具體實施方式
以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。 如附圖l，本發明的高壓同步電機全數位化矢量控制裝置由以下 技術特點和單元組成，三相高壓電輸入移相隔離變壓器，經移相隔離 降壓多路交流輸出後，輸入到帶能量回饋的功率單元模塊，功率單元模塊逆變輸出到同步三相電機；安裝在三相電機上的位置與速度傳感 器反饋的信號，經光傳輸器傳送給可編程邏輯器件，可編程邏輯器件 經串並轉換處理後，將信號傳送給數位訊號處理DSP進行數據運算處 理；電流反饋信號經霍爾傳感器採樣，上傳信號經模擬信號處理電路 濾波處理後再上傳給DSP,全數位化同步電機矢量控制器主控板上的 AD進行採樣並運算；DSP經全數位化同步電機矢量控制與上位監控 進行實時數據通信，並向上位監控上報系統的各項運行參數和故障狀 態。如附圖l交直交的變頻功能採用功率單元串聯多電平方式。 釆用交直交變頻方式，變頻器輸出的頻率調速範圍寬，各級功率
單元模塊採用H全橋IGBT驅動方式，由於輸出電平數較多，輸出波 形階梯增多，就可以使調製波接近正弦，降低電壓跳變，這樣諧波就 少。另一個優點是輸出電壓的dv/dt較小，對負載電機的衝擊小。如一些軋鋼機、提升機、巻揚機，如果釆用交交變頻，必須加減 速機構，而交直交可以在許可的範圍內頻率任意調解，這就解決了上 述問題。實現方法變頻器的三相輸入高壓(3000V.6000V.10000V )接到到移相隔離變壓器的輸入側，經移相隔離變壓器移相隔離降壓副邊多 繞組交流輸出，接到功率單元模塊，功率單元模塊輸出驅動電機。 如圖3所示全數位化高壓同步電機矢量控制軟體結構圖矢量控制的目的是為了改善三相電機轉子轉矩控制性能，而最終 實施仍然是對定子電流的控制。由於在定子側的各物理量(電壓、電 流、電動勢、磁動勢)在靜止坐標系都是交流量，調節、控制和計算 均不方便。因此，需藉助於矢量坐標變換，使各物理量從靜止坐標系 轉換到同步旋轉坐標系，站在同步旋轉的坐標系上觀察時，電動機的 各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標系上的各空間矢量就都變 成了直流量，可以根據轉矩公式的幾種形式，找到轉矩和被控矢量的 各分量之間的關係，實時地計算出轉矩控制所需的被控矢量的各分量 值直流給定量。按照這些給定量實時控制，就能達到對直流電動機的 控制功能。由於這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛抅的，因 此，還必須再經過坐標的逆變換過程，把上述的直流給定量變換成實 際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際 值等於給定值。在矢量變換的控制方法中，需用到靜止和旋轉的坐標 系，以及矢量在各坐標系之間的變換，交流同步電機的矢量控制，需 要把電機的ABC三相定子靜止坐標系的電流Ia、 Ib、 Ic、變換成Ict 阿爾法(a), ip貝它(p)兩相靜止坐標系(Clarke變換)，也叫三相 - 二相變換，再從兩相靜止坐標系變換成同步旋轉磁場定向坐標系
(Park變換)，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Iq、 Id(Id相當於 直流電動機的勵磁電流；Iq相當於與轉矩成正比的電樞電流)，然後 模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的 坐標逆變換(Park逆變換)(Clarke逆變換)，實現對同步電動機的控 制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩 個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁場，然後分解定子電流而獲得 轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交解耦控制。同步電機採用改進的空間矢量磁場定向控制策略，控制系統釆用 速度環和電流環雙閉環結構，電流環採用PID調節器(P—比例，I 一積分，一D微分)，實現簡單，並能獲得較好的電流跟蹤性能。速 度環採用PID調節器，能有效地限制動態響應的超調量，加快響應速 度。系統釆用轉速、電流雙閉環調速系統；系統全數字式的關鍵是電 流環數位化，就是把數模混合式變頻系統中的模擬電流環，釆用數字 方式加以實現，其核心提高電流環的處理速度，達到或接近模擬電流 環的響應速度。根據目前的數位訊號處理器DSP、 A/D器件的水平， 可以滿足硬體的需要；另一方面在於控制策略及控制軟體的優化。良 好的系統硬體和軟體設計是使研製的系統達到實用化的保證，在滿足 性能要求的基礎上，必須充分利用硬體資源，提高集成度降低硬體成 本，達到產品化的目標。矢量控制系統的解耦，速度給定11* (頻率給定)與速度反饋n相 減得出速度誤差，速度誤差經PID調節後輸出轉矩電流給定Iqref， Idref 勵磁電流給定是根據系統的動態需要進行調整，其值根據不同的電機 和負載得出的經驗值，電機三相電流反饋Ia、 Ic、 Ib(為Ia與Ic之和求 反)經傳感器釆樣，然後再根據轉子位置電氣角度e進行Clarke變換， 變換後輸出Ia、 IP, Ia、 ip經Park變換輸出Id、 Iq， Id、 Iq值與給定值 Iqref、 Idref求誤差，進行PID調節後輸出Vsqref、 Vsdref, Vsqref、 Vsdref 和轉子位置電氣角度e經過Park逆變換輸出Va、VP, Va、Vp經過CIarke
逆變換輸出電機定子三相電壓Va、 Vb、 Vc值，三相電壓Va、 Vb、 Vc 值作為脈寬調製(PWM)的比較值比較，輸出PWM波形到逆變器然 後驅動電機旋轉。如附圖2全數位化高壓同步電機矢量控制硬體控制原理框圖。 硬體主控實現部分由數位訊號處理電路DSP作為主控制電路， 可編程邏輯電路實現部分算法的計算和波形發生及各種信號的處理， 經AD釆樣處理後的電流電壓反饋信號傳到DSP,功率單元與DSP的通 信採用光纖串行高速通信方式，功率單元的狀態信息經可編程邏輯器 件進行串行編碼後通過光纖發送到DSP的接收端，DSP接收並進行串 行到並行解碼後傳輸到DSP進行信號處理；DSP根據功率單元狀態信 息，調整系統的控制狀態；速度與位置傳感器的信號經處理後，傳輸 到DSP主控器板，DSP和可編程邏輯器件對傳感器反饋的速度位置信 號進行運算處理，測速方式採用變WT測速，可以實現高精度的測速 要求，DSP計算出速度和位置的有效值，並經傳感器檢測有無故障狀 態，上報到DSP，同時DSP可以根據測速的要求動態調整測速方式和時 間；本系統中的電流檢測元件選擇了根據磁場補償原理製成的霍爾效 應電流互感器，以滿足實時監測電流的要求，電機的三相電流信號經 信號調理電路處理後，變成模擬電壓信號輸入到DSP主控板的AD轉 換晶片AD7865,該晶片可以在瞬時情況下對三相的電壓電流信號進 行釆樣保持並轉換，這樣能保證真實的再現電機瞬態三相電壓電流的 波形，AD7865釆樣完成後上傳三相的數據；DSP與上位系統釆用的 是RS232通訊模式，實時的接收上位監控給定的各項參數設定值，並 上報整個系統的運行狀態和各項數據；DSP根據控制要求作出相應的 執行控制；如附圖4是速度環流程圖。速度環中斷處理流程，實時監測系統的轉速信息，速度給定由人 機界面設置輸入，檢測電機的運轉狀態和加減速時間的各項參數值計 算出當前的速度給定，根據給定速度指令與速度反饋計算誤差並進行比例、積分、(PI)調節，然後輸出Iqref (轉矩電流給定)，根據設定 的轉矩電流最大最小值限制Iqref值，輸出Iqref到電流環做為轉矩電流 指令的給定。如附圖5是電流環流程圖。電流環中斷處理流程，霍爾傳感器檢測Ia，Ic兩相電流反饋值，計 算出三相電流反饋值Ib,根據位置速度傳感器反饋的轉子位置計算當 前轉子的位置電角度e,由Ia、 Ib、 Ic進行CLARKE輸出Ia和ip，由Ia、 Ip進行PARK變換輸出Iq、 Id,根據速度環輸出得轉矩給定和去磁電流 給定與反饋值求誤差並進行PI調節輸出Vq、 Vd，由Vq、 Vd進行PARK 逆變換輸出Va、 Vp，由Va、 Vp進行CLARKE逆變換輸出Va、 Vb、 Vc，輸出三相Va、 Vb、 Vc PWM的佔空比值到可編程邏輯器件；驅 動波形通過可編程邏輯器件的PWM波形發生模塊輸出到光纖驅動 器，經光纖傳輸到各個功率單元控制IGBT的開關。如附圖6能量回饋單元原理圖。基於能量回饋的功率單元，普通高壓變頻器不能直接用於需要快 速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、 軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統及工具機主軸驅動系統等。 因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性 負載重物下放時，電機處於再生發電狀態。由於二極體控整流器能量 傳輸不可逆變，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升 電壓。而以IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有 可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系 統安全工作，這就限制了普通高壓變頻器的應用範圍，基於能量反饋 的系統解決上述問題，並且實現了真正的節能目標而不是浪費掉能 量。帶能量回饋的功率單元，輸入為移相隔離變壓器副邊降壓繞組的
三相，IGBT的控制信號為經光纖傳輸過來的PWM信號控制其導通和 關斷，輸出經單元串聯後到電機。
權利要求
1、一種高壓同步電機全數位化矢量控制裝置，包括高壓輸入移相隔離變壓器、帶能量回饋的功率單元模塊，將所述率單元相互串聯實現三相高壓變頻輸出，其特徵在於所述高壓同步電機全數位化矢量控制裝置還包括由數位訊號處理器DSP、可編程邏輯器件和相關外圍電路組成的全數位化高壓同步電機矢量控制器、與被控高壓同步電機同軸相連的轉子位置及速度反饋編碼器、變頻器輸出電流檢測傳感器、單元控制電路UFC；所述外圍電路包括光纖接口、上位監控系統；所述上位監控系統是用於給定頻率，接收控制系統的上報信息。
2、 如權利要求1所述的高壓同步電機全數位化矢量控制裝置， 其特徵在於所述高壓輸入移相隔離變壓器副邊釆用延邊三角型移相 隔離降壓共18繞組輸出，18組分成三相每相六組，每相繞組彼此移 相10° ，其輸入為高壓三相交流電，經移相隔離降壓輸出後輸出三 相低壓交流電壓連接到所述的功率單元模塊輸入端R、 S、 T。
3、 如權利要求1所述的高壓同步電機全數位化矢量控制裝置， 其特徵在於所述帶能量回饋的功率單元模塊的三相交流輸入電壓 R、 S、 T端為移相隔離變壓器的輸出，經過電容器、電感器緩衝和濾 波環節連接到三相同步整流絕緣柵雙極性電晶體IGBT上，同步整流 後經電容、電阻濾波成直流電壓，再經4個IGBT連接成H橋進行電 壓逆變，對所述逆變IGBT的控制是由全數位化高壓同步電機矢量控 制器中的脈寬調製器PWM發出的信號經光纖發送到單元控制電路 UFC控制H橋的逆變。
4、 如權利要求1所述的高壓同步電機全數位化矢量控制裝置， 其特徵在於所述的功率單元模塊採用串聯連接方式，每個功率單元 模塊的輸入為R、 S、 T端，每個功率單元模塊的輸出為L1、 L2,每 個單元模塊的Ll與上一級同相的功率單元模塊的L2相連接，在最 頂層三相功率單元模塊的Ll連接到一起成中性點N,各相最底層功 率單元的L2作為變頻器輸出。
5、 如權利要求1所述的高壓同步電機全數位化矢量控制裝置， 其特徵在於所述速度與位置傳感器的旋轉部分與電機轉子同軸相 連，固定部分與電機座相連，位置及速度信號傳輸給全數位化高壓同 步電機矢量控制器。
6、 如權利要求l或3所述的高壓同步電機全數位化矢量控制裝 置，其特徵在於所述全數位化高壓同步電機矢量控制器，其輸入信 號為上位監控系統頻率給定值n*、高壓同步電機同軸相連的轉子位 置及速度反饋編碼器信號經位置速度處理電路生成轉速n和轉子位 置信號6 、變頻器輸出電流檢測傳感器信號、功率單元模塊狀態信息，所述全數位化同步電機矢量控制器輸出信號為控制功率單元模塊的 PWM信號，所述PWM信號，由全數位化高壓同步電機矢量器內三 相光纖接口板處理，經光纖接口與各功率單元的UFC控制各相功率 單元；所述全數位化同步電機矢量控制器根據上位監控系統頻率給定 值和速度反饋信號經DSP計算相比較，所述DSP計算出速度誤差， 然後在DSP中的比例、微分、積分器PID中進行調節，所述DSP輸 出轉矩電流Iqref,所述三相電機的反饋電流是根據電機轉子的位置 9經矢量變換後輸出勵磁電流Id、電樞電流Iq,所述勵磁電流W、 電樞電流Iq與給定的Idref、 Iqref進行比較，然後經DSP進行PID調 節，再經DSP進行矢量變換後輸出三相的PWM脈衝P WMA 、 PWMB 、 PWMC，所述三相PWM脈衝經移相處理後，經三相光纖接口板A、 B、 C輸出到各功率單元控制電路UFC分別控制三相功率單元模塊。
全文摘要
本發明是一種高壓同步電機全數位化矢量控制裝置，包括高壓輸入移相隔離變壓器、帶能量回饋的功率單元模塊，將所述率單元相互串聯實現三相高壓變頻輸出，所述高壓同步電機全數位化矢量控制裝置還包括由數位訊號處理器、可編程邏輯器件和相關外圍電路組成的全數位化高壓同步電機矢量控制器、與被控高壓同步電機同軸相連的轉子位置及速度反饋編碼器、變頻器輸出電流檢測傳感器；所述外圍電路包括光纖接口、上位監控系統；所述上位監控系統給定頻率。該裝置具有電網汙染小、無需無功補償設備，快速響應，調速比範圍寬，恆轉矩起動，四象限運行能力等特點。
文檔編號H02M5/00GK101119090SQ20071011809
公開日2008年2月6日 申請日期2007年6月28日 優先權日2007年6月28日
發明者沈士軍 申請人:北京合康億盛科技有限公司