一种新型大功率异步电动机低开关频率运行控制方法与流程

本发明涉及一种电机技术领域，尤其是一种新型大功率异步电动机低开关频率运行控制方法。

背景技术：

电机系统中失效概率最高的部件为变流器，由变流器引发的电机系统故障率达到57％以上，而开关频率过高，会产生较大的开关损耗，不仅会缩短开关器件的寿命而且会降低大功率异步电机系统的输出功率。因此在拥有中高压大功率电机系统领域如高铁、航空、海上风电等，为提高系统运行的可靠性和高效性，一般要求开关频率不高于1khz。

通常，采用常规的pwm控制电机系统在降低开关频率的情况下会带来较大的电流谐波，造成较大的铜耗和转矩脉动，严重影响机械设备的安全和效率，采用最优脉宽调制需要进行离线计算，动态性能差，而预测控制对此问题的解决思路独特有效，一般情况下，常采用边界圆作为指定的边界，让d轴和q轴电流分量具备同等的误差，由指定边界控制电流谐波大小，在控制电流谐波的同时，尽可能地降低开关频率，但显然，将电流d轴分量和q轴分量看作同等性质的变量去限定误差并不精准，即边界圆模式下的控制，并不能最大限度地降低开关频率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种新型大功率异步电动机低开关频率运行控制方法，在变流器运行于线性调制模式下，通过指定边界在dq同步坐标系中为d轴长q轴短的椭圆形，实现线性调制模式更低的开关频率运行控制，避免降低开关频率带来的谐波问题，提高低开关频率下电机系统运行的可靠性和高效性。

本发明的技术方案为：一种新型大功率异步电动机低开关频率运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1)、信号采集：实时采集tk时刻变流器的直流侧电压udc(k)、异步电机定子电流异步电机转速ω(k)；

s2)、转子磁链观测：在tk时刻，利用开关信号sa,b,c(k)和直流侧电压udc(k)合成电机定子电压矢量其计算式为：

在静止坐标系中，异步电机转子磁链矢量为：

并根据得到的转子磁链矢量求得转子磁链矢量其幅值ψr(k)，具体计算表达式为：

并根据转子磁链矢量幅值ψr(k)与其αβ坐标下的分量ψrα(k)、ψrβ(k)之间的关系，得到定向角度θ(k)，具体为：

其中，lr为转子电感，lm为定转子间互感，ls为定子电感，rs为定子电阻；

s3)、磁链外环控制和转速外环控制：将转速的参考量ω^*和采集到的转速信号ω(k)作差值后进行pi控制得到内环q轴定子电流给定量

通过对转子磁链的参考量ψr^*和转子磁链幅值ψr(k)作差后进行pi控制得到内环d轴定子电流给定量

s4)、预测电流内环控制：根据采集得到tk时刻异步电机的定子电流并结合静止坐标系下的电机模型：

经过一阶欧拉离散化，得到下一时刻的电流预测值具体计算表达式为：

其中，rr为转子电阻，α为电机漏磁系数，np为电机极对数，采样周期为ts；

电流预测值根据磁链定向角θ(k)经过坐标变换之后得到电流预测值在d轴和q轴的电流分量isd(k+1)、isq(k+1)，其具体计算表达式为：

由于电机转子时间常数较大，对d轴电流分量有很强的滤波作用，可以允许定子电流矢量在d轴方向进行较大范围的滑动，也不会增加电磁转矩的脉动，因此设计d轴长，q轴短的电流矢量椭圆边界，降低开关频率，具体为：

且0<λ＜1，δimin＜g＜δimax，

其中，λ为权值，δimin为最小电流误差，δimax为最大电流误差，通过权值λ，以及δimin、δimax来限定d轴和q轴的长度以及椭圆的范围，从而在纹波范围内降低开关频率；

s5)、分别将8个开关状态所对应的电压矢量输入价值函数g中，计算得到价值函数的最小值gmin，保存使得价值函数最小的开关状态输出，产生得到开关驱动信号sa,b,c(k)，通过开关驱动信号sa,b,c(k)控制开关管的导通，实现变流器对电机的控制。

步骤s1)中，直流侧电压udc(k)的采集主要通过电压传感器、异步电机定子电流的采集主要通过电流传感器、异步电机转速ω(k)的采集主要通过编码器。

步骤s5)中，为了减小计算量，对价值函数g预先进行判断，对于g小于δimin所对应的开关量不与替换，继续保持原有的开关状态，从而实现低开关频率下异步电机的运行控制。

本发明的有益效果为：通过指定边界在dq同步坐标系中为d轴长q轴短的椭圆形，从而实现线性调制模式更低地开关频率运行控制，另外，通过对d轴释放较大的误差限来降低开关频率，同时又能借助电机转子时间常数较大的特点避免增加额外的谐波电流问题，从而进一步提高了低开关频率下电机系统运行的可靠性和高效性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的框架示意图；

图3为本发明的预测电流矢量分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1、图2所示，一种新型大功率异步电动机低开关频率运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1)、信号采集：实时采集tk时刻变流器的直流侧电压udc(k)、异步电机定子电流异步电机转速ω(k)；

s2)、转子磁链观测：在tk时刻，利用开关信号sa,b,c(k)和直流侧电压udc(k)合成电机定子电压矢量其计算式为：

在静止坐标系中，异步电机转子磁链矢量为：

并根据得到的转子磁链矢量求得转子磁链矢量幅值ψr(k)，具体计算表达式为：

并根据转子磁链矢量幅值ψr(k)与其αβ坐标下的分量ψrα(k)、ψrβ(k)之间的关系，得到定向角度θ(k)，具体为：

其中，lr为转子电感，lm为定转子间互感，ls为定子电感，rs为定子电阻；

s3)、磁链外环控制和转速外环控制：将转速的参考量ω^*和采集到的转速信号ω(k)作差值后进行pi控制得到内环q轴定子电流给定量

通过对转子磁链的参考量ψr^*和转子磁链幅值作差后进行pi控制得到内环d轴定子电流给定量

s4)、预测电流内环控制：根据采集得到tk时刻异步电机的定子电流并结合静止坐标系下的电机模型：

经过一阶欧拉离散化，得到下一时刻的电流预测值具体计算表达式为：

其中，rr为转子电阻，σ为电机漏磁系数，np为电机极对数，采样周期为ts；

电流预测值根据磁链定向角θ(k)经过坐标变换之后得到电流预测值在d轴和q轴的电流分量isd(k+1)、isq(k+1)，其具体计算表达式为：

通过改变d轴和q轴电流的权值时，d轴和q轴的长度会发生改变，由于电机转子时间常数较大，对d轴电流分量有很强的滤波作用，可以允许定子电流矢量在d轴方向进行较大范围的滑动，也不会增加电磁转矩的脉动，因此设计d轴长，q轴短的电流矢量椭圆边界，具体为：

且0<λ＜1，δimin＜g＜δimax，

其中，λ为权值，δimin为最小电流误差，δimax为最大电流误差，通过权值λ，以及最小电流误差δimin、最大电流误差δimax来限定d轴和q轴的长度以及椭圆的范围，从而在纹波范围内降低开关频率；

如图3所示，其中，权值λ决定了椭圆的实轴长和虚轴长，即决定了电流轨迹的运行范围，椭圆圆心为电流参考值和椭圆方程的变量为q轴和d轴的电流预测值isq(k+1)和isd(k+1)，另外，从图3中可以看出，从空载到满载的过程中，椭圆圆心的轨迹在q轴上变化，预测电流轨迹被限定在椭圆内，从而保证将预测电流控制在误差范围内，并且由于椭圆的面积大于圆形，则表示，椭圆误差限更大，开关切换更慢，则可以实现更低的开关频率运行，而且不会导致谐波电流变大，降低开关频率，从而实现低开关频率下的可靠运行；

s5)、分别将8个开关状态所对应的电压矢量输入价值函数g中，计算得到价值函数的最小值gmin，保存使得价值函数最小的开关状态输出，产生得到开关驱动信号sa,b,c(k)，通过开关驱动信号sa,b,c(k)控制开关管的导通，实现变流器对电机的控制。

步骤s1)中，直流侧电压udc(k)的采集主要通过电压传感器、异步电机定子电流的采集主要通过电流传感器、异步电机转速ω(k)的采集主要通过编码器。

步骤s5)中，为了减小计算量，对价值函数g预先进行判断，对于g小于δimin所对应的开关量不与替换，继续保持原有的开关状态，从而实现低开关频率下异步电机的运行控制。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。