一種新型大功率異步電動機低開關頻率運行控制方法與流程
2023-05-16 19:19:11
本發明涉及一種電機技術領域，尤其是一種新型大功率異步電動機低開關頻率運行控制方法。
背景技術：
電機系統中失效概率最高的部件為變流器，由變流器引發的電機系統故障率達到57％以上，而開關頻率過高，會產生較大的開關損耗，不僅會縮短開關器件的壽命而且會降低大功率異步電機系統的輸出功率。因此在擁有中高壓大功率電機系統領域如高鐵、航空、海上風電等，為提高系統運行的可靠性和高效性，一般要求開關頻率不高於1khz。
通常，採用常規的pwm控制電機系統在降低開關頻率的情況下會帶來較大的電流諧波，造成較大的銅耗和轉矩脈動，嚴重影響機械設備的安全和效率，採用最優脈寬調製需要進行離線計算，動態性能差，而預測控制對此問題的解決思路獨特有效，一般情況下，常採用邊界圓作為指定的邊界，讓d軸和q軸電流分量具備同等的誤差，由指定邊界控制電流諧波大小，在控制電流諧波的同時，儘可能地降低開關頻率，但顯然，將電流d軸分量和q軸分量看作同等性質的變量去限定誤差並不精準，即邊界圓模式下的控制，並不能最大限度地降低開關頻率。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提供一種新型大功率異步電動機低開關頻率運行控制方法，在變流器運行於線性調製模式下，通過指定邊界在dq同步坐標系中為d軸長q軸短的橢圓形，實現線性調製模式更低的開關頻率運行控制，避免降低開關頻率帶來的諧波問題，提高低開關頻率下電機系統運行的可靠性和高效性。
本發明的技術方案為：一種新型大功率異步電動機低開關頻率運行控制方法，其特徵在於，包括以下步驟：
s1)、信號採集：實時採集tk時刻變流器的直流側電壓udc(k)、異步電機定子電流異步電機轉速ω(k)；
s2)、轉子磁鏈觀測：在tk時刻，利用開關信號sa,b,c(k)和直流側電壓udc(k)合成電機定子電壓矢量其計算式為：
在靜止坐標系中，異步電機轉子磁鏈矢量為：
並根據得到的轉子磁鏈矢量求得轉子磁鏈矢量其幅值ψr(k)，具體計算表達式為：
並根據轉子磁鏈矢量幅值ψr(k)與其αβ坐標下的分量ψrα(k)、ψrβ(k)之間的關係，得到定向角度θ(k)，具體為：
其中，lr為轉子電感，lm為定轉子間互感，ls為定子電感，rs為定子電阻；
s3)、磁鏈外環控制和轉速外環控制：將轉速的參考量ω*和採集到的轉速信號ω(k)作差值後進行pi控制得到內環q軸定子電流給定量
通過對轉子磁鏈的參考量ψr*和轉子磁鏈幅值ψr(k)作差後進行pi控制得到內環d軸定子電流給定量
s4)、預測電流內環控制：根據採集得到tk時刻異步電機的定子電流並結合靜止坐標系下的電機模型：
經過一階歐拉離散化，得到下一時刻的電流預測值具體計算表達式為：
其中，rr為轉子電阻，α為電機漏磁係數，np為電機極對數，採樣周期為ts；
電流預測值根據磁鏈定向角θ(k)經過坐標變換之後得到電流預測值在d軸和q軸的電流分量isd(k+1)、isq(k+1)，其具體計算表達式為：
由於電機轉子時間常數較大，對d軸電流分量有很強的濾波作用，可以允許定子電流矢量在d軸方向進行較大範圍的滑動，也不會增加電磁轉矩的脈動，因此設計d軸長，q軸短的電流矢量橢圓邊界，降低開關頻率，具體為：
且0<λ＜1，δimin＜g＜δimax，
其中，λ為權值，δimin為最小電流誤差，δimax為最大電流誤差，通過權值λ，以及δimin、δimax來限定d軸和q軸的長度以及橢圓的範圍，從而在紋波範圍內降低開關頻率；
s5)、分別將8個開關狀態所對應的電壓矢量輸入價值函數g中，計算得到價值函數的最小值gmin，保存使得價值函數最小的開關狀態輸出，產生得到開關驅動信號sa,b,c(k)，通過開關驅動信號sa,b,c(k)控制開關管的導通，實現變流器對電機的控制。
步驟s1)中，直流側電壓udc(k)的採集主要通過電壓傳感器、異步電機定子電流的採集主要通過電流傳感器、異步電機轉速ω(k)的採集主要通過編碼器。
步驟s5)中，為了減小計算量，對價值函數g預先進行判斷，對於g小於δimin所對應的開關量不與替換，繼續保持原有的開關狀態，從而實現低開關頻率下異步電機的運行控制。
本發明的有益效果為：通過指定邊界在dq同步坐標系中為d軸長q軸短的橢圓形，從而實現線性調製模式更低地開關頻率運行控制，另外，通過對d軸釋放較大的誤差限來降低開關頻率，同時又能藉助電機轉子時間常數較大的特點避免增加額外的諧波電流問題，從而進一步提高了低開關頻率下電機系統運行的可靠性和高效性。
附圖說明
圖1為本發明的流程示意圖；
圖2為本發明的框架示意圖；
圖3為本發明的預測電流矢量分析圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：
如圖1、圖2所示，一種新型大功率異步電動機低開關頻率運行控制方法，其特徵在於，包括以下步驟：
s1)、信號採集：實時採集tk時刻變流器的直流側電壓udc(k)、異步電機定子電流異步電機轉速ω(k)；
s2)、轉子磁鏈觀測：在tk時刻，利用開關信號sa,b,c(k)和直流側電壓udc(k)合成電機定子電壓矢量其計算式為：
在靜止坐標系中，異步電機轉子磁鏈矢量為：
並根據得到的轉子磁鏈矢量求得轉子磁鏈矢量幅值ψr(k)，具體計算表達式為：
並根據轉子磁鏈矢量幅值ψr(k)與其αβ坐標下的分量ψrα(k)、ψrβ(k)之間的關係，得到定向角度θ(k)，具體為：
其中，lr為轉子電感，lm為定轉子間互感，ls為定子電感，rs為定子電阻；
s3)、磁鏈外環控制和轉速外環控制：將轉速的參考量ω*和採集到的轉速信號ω(k)作差值後進行pi控制得到內環q軸定子電流給定量
通過對轉子磁鏈的參考量ψr*和轉子磁鏈幅值作差後進行pi控制得到內環d軸定子電流給定量
s4)、預測電流內環控制：根據採集得到tk時刻異步電機的定子電流並結合靜止坐標系下的電機模型：
經過一階歐拉離散化，得到下一時刻的電流預測值具體計算表達式為：
其中，rr為轉子電阻，σ為電機漏磁係數，np為電機極對數，採樣周期為ts；
電流預測值根據磁鏈定向角θ(k)經過坐標變換之後得到電流預測值在d軸和q軸的電流分量isd(k+1)、isq(k+1)，其具體計算表達式為：
通過改變d軸和q軸電流的權值時，d軸和q軸的長度會發生改變，由於電機轉子時間常數較大，對d軸電流分量有很強的濾波作用，可以允許定子電流矢量在d軸方向進行較大範圍的滑動，也不會增加電磁轉矩的脈動，因此設計d軸長，q軸短的電流矢量橢圓邊界，具體為：
且0<λ＜1，δimin＜g＜δimax，
其中，λ為權值，δimin為最小電流誤差，δimax為最大電流誤差，通過權值λ，以及最小電流誤差δimin、最大電流誤差δimax來限定d軸和q軸的長度以及橢圓的範圍，從而在紋波範圍內降低開關頻率；
如圖3所示，其中，權值λ決定了橢圓的實軸長和虛軸長，即決定了電流軌跡的運行範圍，橢圓圓心為電流參考值和橢圓方程的變量為q軸和d軸的電流預測值isq(k+1)和isd(k+1)，另外，從圖3中可以看出，從空載到滿載的過程中，橢圓圓心的軌跡在q軸上變化，預測電流軌跡被限定在橢圓內，從而保證將預測電流控制在誤差範圍內，並且由於橢圓的面積大於圓形，則表示，橢圓誤差限更大，開關切換更慢，則可以實現更低的開關頻率運行，而且不會導致諧波電流變大，降低開關頻率，從而實現低開關頻率下的可靠運行；
s5)、分別將8個開關狀態所對應的電壓矢量輸入價值函數g中，計算得到價值函數的最小值gmin，保存使得價值函數最小的開關狀態輸出，產生得到開關驅動信號sa,b,c(k)，通過開關驅動信號sa,b,c(k)控制開關管的導通，實現變流器對電機的控制。
步驟s1)中，直流側電壓udc(k)的採集主要通過電壓傳感器、異步電機定子電流的採集主要通過電流傳感器、異步電機轉速ω(k)的採集主要通過編碼器。
步驟s5)中，為了減小計算量，對價值函數g預先進行判斷，對於g小於δimin所對應的開關量不與替換，繼續保持原有的開關狀態，從而實現低開關頻率下異步電機的運行控制。
上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理和最佳實施例，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。