本發(fā)明屬于永磁同步電機軟啟動及同步切換領域,具體涉及一種改進的永磁同步電機鎖相環(huán)方法。
背景技術(shù):
大量的永磁同步電動機運行在工頻狀態(tài),但是同步電動機不能直接啟動,需要借助變頻器變頻啟動,當電動機運行到工頻時仍然由變頻器供電會造成對資源和能量的浪費,所以此時由電網(wǎng)代替變頻器對電動機供電顯得十分必要。與異步電動機和電勵磁同步電動機相比,永磁同步電動機在電網(wǎng)供電和變頻器供電之間進行切換更加困難。鎖相環(huán)成為其中關鍵技術(shù),能夠快速準確地鎖定電網(wǎng)電壓的相位是保證切換成功的前提,甚至要求在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落或發(fā)生接地故障的情況下,鎖相環(huán)仍然能夠正常工作,保證電動機實現(xiàn)安全軟停車。
鎖相環(huán)的主要目的是為了實時獲取電壓的相角和頻率,精確度、快速性和對不同環(huán)境的適應能力成為鎖相環(huán)的主要性能指標。目前常用的幾種鎖相環(huán)方法有:過零鎖相、單同步坐標系軟件鎖相、基于對稱分量法的單同步坐標系軟件鎖相和基于雙同步坐標系的解耦軟件鎖相。過零鑒相的開環(huán)鎖相方法是通過檢測電壓的過零點并結(jié)合線性插值法來獲取電壓的頻率和相位,這種方法結(jié)構(gòu)簡單,但是交流電壓每個周期只有兩個過零點,所以其響應速度慢,精度差,干擾嚴重時甚至會導致輸出振蕩。單同步坐標系軟件鎖相是一種簡單高效的鎖相方法,通過電壓矢量的坐標變換和PI調(diào)節(jié)器,使電網(wǎng)無功分量達到給定值零,實現(xiàn)電壓跟蹤。在三相電壓平衡的理想條件下,單同步坐標系軟件鎖相環(huán)可以較為準確地獲取電壓的相位和頻率,但電壓畸變比較嚴重或三相電壓不再平衡時,該方法的輸出結(jié)果會有較大偏差。而基于對稱分量法的單同步坐標系軟件鎖相環(huán),利用全通濾波器來獲取三相電壓的正序分量,從而實現(xiàn)鎖相,具有在電網(wǎng)電壓不平衡的仍能正常工作的優(yōu)點,但全通濾波器參數(shù)不能輕易調(diào)整,系統(tǒng)的動態(tài)性能不佳?;陔p同步坐標系的軟件鎖相環(huán),其主要思想是坐標變換和解耦,最終得到電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位,但低通濾波器的引入使鎖相環(huán)的響應速度受到影響。
LES濾波器又稱最小方差濾波器,MS Sachdev于1979年提出并應用于數(shù)字化的阻抗繼保中,LES濾波器可以將直流分量、基波分量以及各次諧波分量快速地提取出來。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題,提高鎖相環(huán)和相關檢測算法的快速性和準確性,將LES濾波器與雙同步坐標系鎖相環(huán)相結(jié)合,提出一種改進的軟件鎖相方法,相比較于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)在動態(tài)響應和穩(wěn)定精度上有了一步優(yōu)化,并在由三電平背靠背變頻器和永磁同步電機組成的實驗平臺上應用,保證了永磁同步電機軟啟動及并網(wǎng)的成功。
一種改進的永磁同步電機鎖相環(huán)方法,包括以下幾個步驟:
步驟一:采用LES濾波器進行濾波
設三相電網(wǎng)電壓信號僅含有基波和3次諧波,三相電網(wǎng)電壓信號(va,vb,vc)經(jīng)過LES濾波器進行濾波,得到其基波電壓
步驟二:正負序分量坐標變換
在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標系下對基波電壓矢量進行分解,轉(zhuǎn)過的角度為θ,的運動速度為ω,轉(zhuǎn)過的角度為的運動速度為-ω,轉(zhuǎn)過的角度為利用坐標變換原理,將先后投影到α-β靜止坐標系和dq+1及dq-1兩個旋轉(zhuǎn)坐標系上,分別得到基波電壓的正序分量和負序分量
上述雙同步坐標系包括兩個旋轉(zhuǎn)坐標系,正序dq+1坐標系的運動方向為逆時針,運動的速度為對應轉(zhuǎn)過的角度為負序dq-1坐標系是以角速度順時針旋轉(zhuǎn),角度設為
步驟三:進行解耦
對正負序分量進行解耦處理,同時采用一階低通濾波器LPF計算直流量的值,形成解耦網(wǎng)絡;
通過雙同步坐標系各自獨立的閉環(huán)調(diào)節(jié),配置調(diào)節(jié)器參數(shù),使得經(jīng)過運算處理后輸出的正序分量的交軸分量為0,達到鎖相成功。
本發(fā)明的優(yōu)點在于:
傳統(tǒng)的基于雙同步坐標系解耦鎖相環(huán)采用一階低通濾波器對電壓的d軸和q軸分量進行濾波,這樣使鎖相環(huán)的輸出精度和動態(tài)響應性能之間形成了矛盾。加之LES濾波器具有響應速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點,因此結(jié)合LES濾波器的雙同步坐標系軟件鎖相環(huán)可以消減鎖相環(huán)的精度和響應速度之間的矛盾,既能保證鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)頻率和相位的準確性同時保證其快速性,使控制系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。
附圖說明
圖1為永磁同步電機變頻軟起動及并網(wǎng)系統(tǒng)框圖。
圖2雙同步坐標系及電壓矢量分解圖。
圖3為改進的永磁同步電機鎖相環(huán)原理框圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
本發(fā)明是一種改進的永磁同步電機鎖相環(huán)方法,應用范疇如圖1所示,一路為電網(wǎng)通過開關KM1連接變頻器,變頻器通過開關KM3連接電機,另一路為電網(wǎng)通過開關KM2直接連接電機。接通開關KM1和開關KM3,電網(wǎng)首先通過變頻器啟動永磁同步電機(PM)。當滿足一定的條件時,切斷KM1,閉合KM2,永磁同步電機直接與電網(wǎng)相連,實現(xiàn)上切并網(wǎng)。永磁同步電機上切到電網(wǎng)時需要達標的3個條件分別是幅值、頻率和轉(zhuǎn)角。其中,只有當碼盤檢測到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角和電網(wǎng)的相角相差在允許的誤差范圍內(nèi),才能實現(xiàn)有效并網(wǎng),而此處的電網(wǎng)相角需要由鎖相環(huán)提供??紤]到電網(wǎng)受到干擾而變得不平衡的情況,研究出一種改進的永磁同步電機鎖相環(huán)方法,原理框圖如圖3所示,包括以下幾個步驟:
步驟一:采用LES濾波器進行濾波
設三相電網(wǎng)電壓信號僅含有基波和3次諧波,三相電網(wǎng)電壓信號(va,vb,vc)經(jīng)過LES濾波器進行濾波,得到其基波電壓
步驟二:正負序分量坐標變換
當電網(wǎng)電壓平衡時,電網(wǎng)電壓只存在正序分量。因此對應不平衡系統(tǒng),在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標系下對基波電壓矢量進行分解(轉(zhuǎn)過的角度為θ,認為),的運動速度為ω,轉(zhuǎn)過的角度為的運動速度為-ω,轉(zhuǎn)過的角度為利用坐標變換原理,將先后投影到α-β靜止坐標系和dq+1及dq-1兩個旋轉(zhuǎn)坐標系上,分別得到基波電壓的正序分量和負序分量
上述雙同步坐標系包括兩個旋轉(zhuǎn)坐標系,示意圖如圖2所示,其中:正序dq+1坐標系的運動方向為逆時針,運動的速度為對應轉(zhuǎn)過的角度為而負序dq-1坐標系則是以角速度順時針旋轉(zhuǎn),其角度設為
步驟三:進行解耦
對上述基波電壓的正負序分量的表達式進一步展開,以為例,如果能夠做到完全鎖相,即有可得可以看出,包含一個2次諧波振蕩交流變量,其幅值與dq-1坐標系中的直流量的大小有關,而針對反之亦然,正負序兩個電壓矢量存在耦合。因此,為了抑制dq+1和dq-1坐標系中振蕩帶來的影響,對上述正負序分量進行解耦處理;為了各個解耦單元的正確運行,需要引入一階低通濾波器(LPF)來計算直流量的值,形成解耦網(wǎng)絡。
借鑒單同步坐標系的鎖相控制結(jié)構(gòu),通過雙同步坐標系各自獨立的閉環(huán)調(diào)節(jié),并適當?shù)嘏渲谜{(diào)節(jié)器參數(shù),使得經(jīng)過運算處理后輸出的正序分量的q軸分量(即圖3中的)為0,(d軸為直軸,q軸即為交軸),即可達到的目的,鎖相成功。
本發(fā)明這種鎖相環(huán)方法無論是在電網(wǎng)三相對稱或者是電網(wǎng)不平衡的狀態(tài)下,均能實時地跟蹤電網(wǎng)電壓,準確高效地提取出電壓的幅值和相位,從而為控制器提供有效信息,使永磁同步電機順利安全地并入電網(wǎng)。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案如下:
永磁同步電動機并網(wǎng)系統(tǒng)實驗平臺由三電平背靠背變頻器、永磁同步電機和基于DSP28335和FPGA的控制系統(tǒng)組成。最開始電動機由變頻器供電,使電動機由靜止啟動并逐漸加速,當電動機運行到工頻附近時,控制系統(tǒng)利用鎖相環(huán)檢測出的電網(wǎng)相角相比較,判斷運行狀況是否符合并網(wǎng)條件,若可以并網(wǎng),控制系統(tǒng)向交流接觸器開關發(fā)出指令使電動機直接由電網(wǎng)供電代替變頻器供電,這種改進的永磁同步電機鎖相環(huán)確保了永磁同步電機在任何情況下都能快速準確地成功并網(wǎng)。
所述的所有環(huán)節(jié)是通過以TI公司TMS320F28335 DSP和ALTER公司的EP2C8Q20818N FPGA作為主要控制芯片的控制板實現(xiàn)。
所述的LES濾波器算法需要適當簡化,電網(wǎng)電壓可以表示為僅含有基波和3次諧波,通過一系列的計算推倒,可以得到一個系數(shù)矩陣和電壓變量矩陣的關系式,控制器可迅速計算求解該方程,便可得出各次分量的幅值和初始相角。由此,電壓中的基波分量的幅值和相位被提取出來。
所述的鎖相環(huán)方法是結(jié)合LES濾波器對傳統(tǒng)雙同步坐標系解耦軟件鎖相環(huán)進行改進。其基本原理是把三相電網(wǎng)電壓信號首先經(jīng)過LES濾波器,提取出其中基波分量,再經(jīng)過坐標變換,分別得到基波電壓的正序和負序分量,然后進行解耦鎖相。