一种高动态响应的大功率同步电机的控制方法与流程

本发明涉及应用于煤炭、矿山等大功率同步电机的控制，特别涉及一种高动态响应的大功率同步电机的控制方法。

背景技术：

1、矿山行业中随着磨机功率不断增加，现场环境恶劣，有刷同步电机难以满足要求，无刷励磁同步电机由于省去了电刷和滑环，不会产生换相火花而广泛应用于大型矿用磨机上；同时，交流无刷励磁系统也是大容量机组的常用励磁方式之一；因此，变频驱动系统对同步电机的励磁控制的好坏将直接影响到电机的运行性能。

2、由于磨机的大功率重载运行、运行功率波动大等工况，对同步电机磁场及转矩快速响应提出了更高要求；变频器驱动同步电机过程中，采用磁场定向矢量控制策略，控制系统采用速度闭环和电流闭环的双闭环结构；速度环采用pi调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度；电流环采用pi调节器，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能；同步电机矢量控制策略中，传统的磁场方案中定子电流均为转矩电流，无励磁电流成分，磁场调节全部由转子承担，这样就造成磁场调节滞后，转矩响应变慢，其控制图如图2所示。

3、传动系统的同步电机矢量控制策略中，一般采用id＝0的控制方法，主要研究提高电机转矩动态响应性能；根据电励磁同步电机的转矩公式te＝np*ψgm*ist可知，同步电机的电磁转矩te由气隙磁链ψgm和转矩电流ist共同组成，转矩电流可以由变频器控制定子绕组调节，采用高速运算处理器，可以保证转矩电流的快速响应，气隙磁链由定子磁链和转子磁链共同决定，两者相互影响，需要根据转矩电流实时调节气隙磁链；由于转子励磁采用交流无刷，转子电流由励磁机提供，中间转换路径多响应较慢；传统的控制算法为了保证定子功率因数，定子电流均为转矩电流，无励磁电流成分，磁场调节全部由转子承担，这样就造成磁场调节滞后，转矩响应变慢，无法完全适应大型磨机的复杂工况及高性能要求，也不能发挥同步电机的最优性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高动态响应的大功率同步电机的控制方法，解决了传统同步电机矢量控制中转子磁场动态响应速度不够，不能完全满足大型磨机现场应用需求的问题。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种高动态响应的大功率同步电机的控制方法，具体步骤为：

4、s1：电流环设计；

5、变频器上电后，驱动电机，并对电机三相电流ia、ib、ic和磁链ψg进行记录；系统整体由速度环、电流环、磁链闭环构成，其中速度外环速度调节器的输入为速度给定ω*与反馈转速ω，这两个量经过速度环调节器asr输出ist*后到电流环进行控制；

6、在电流环中，首先通过负载观测器公式

7、

8、其中，pn为电机极对数；ψg为磁链；为负载转矩值；lm、lt为定转子绕组在m、t轴上等效电感；θ为定子电流与m轴夹角；

9、从公式中得到负载转矩电流前馈补偿值i′st，定子三相电流ia、ib、ic经过abc-mt变换将转化到mt坐标系上，得到m、t轴电流反馈值ism、ist；

10、速度环调节输出值ist*与负载转矩电流前馈补偿值ist′相加作为t轴电流给定值；磁链的给定ψg*与反馈ψg经过磁链调节器aψr输出ism*作为m轴电流给定值；

11、m、t轴电流给定与反馈进行比较：

12、ism*-ism＝δism

13、ist*+i′st-ist＝δist；

14、结果δism、δist经过电流环调节器acr输出m、t轴电压值usm、ust，并与前馈电压计算值usmf、ustf相加作为逆变器输出电压指令，最后经过空间矢量pwm调制控制逆变器输出电压ua、ub、uc；

15、s2：磁链闭环设计；

16、同步电机的三相电压、电流经过3/2变换后得到isα、isβ和usα、usβ，通过磁链观测器得到反馈磁链ψg与磁链给定ψg*经过磁链调节器aψr输出一个稳态调节值ifm*和一个动态调节值ism*；

17、稳态调节值ifm*与励磁电流计算值if′相加，得到转子励磁电流给定值if*，经过励磁机调节，得到转子电流励磁分量ifm；而动态调节值ism*直接作用到定子绕组上，经过定子磁链pi调节后，得到m轴电流反馈值，即定子励磁电流分量ism；

18、ism与ifm一起经过磁链计算公式ψgm＝lmism+lmifm得到气隙磁链ψgm；

19、s3：速度环设计；

20、完成电流内环设计后，再进行速度外环设计；根据系统转动惯量、控制周期、调速范围等参数按照典型ⅱ系统设计pi调节器，使速度调节器可在整个调速范围正常工作，或按照速度范围进行pi参数切换；速度环调节输出值ist*与负载转矩电流前馈补偿值ist′相加后作为下一个周期t电流给定值。

21、由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

22、本发明的高动态响应的大功率同步电机的控制方法，电机气隙磁链由定子磁链和转子磁链共同决定，形成一个完整的磁链闭环，通过转子磁链和定子磁链同时作用，实现同步电机的磁场高动态调节；通过变频器高速控制算法平台实现磁场及转矩快速响应，实现大功率同步电机强转矩输出、具有良好的低速性能，同时又可提高同步电机的动态性能，使同步电机能够适应各种复杂的工况。

技术特征：

1.一种高动态响应的大功率同步电机的控制方法，其特征在于，包括

技术总结本发明介绍了一种高动态响应的大功率同步电机的控制方法，具体步骤为：S1：电流环设计；S2：磁链闭环设计；S2：速度环设计。本发明的高动态响应的大功率同步电机的控制方法，电机气隙磁链由定子磁链和转子磁链共同决定，形成一个完整的磁链闭环，通过转子磁链和定子磁链同时作用，实现同步电机的磁场高动态调节；通过变频器高速控制算法平台实现磁场及转矩快速响应，从而提高同步电机转矩控制性能。技术研发人员：张念钰,史光辉,王正国,邱玉林,狄辉辉,刘涛涛,何腾飞,李飞,王浩,张盼盼,张书明,王璐受保护的技术使用者：洛阳中重自动化工程有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/8/5