一种直流偏置型电机的功率因数控制方法与流程

本发明属于交流电机驱动与控制领域，更具体地，涉及一种直流偏置型电机的功率因数控制方法。

背景技术：

直流偏置型电机是在定子励磁同步电机的基础上发展而来的一种新型电机，这种电机的相电流除了交变分量外，还含有直流分量。通过改变直流偏置电流的大小，可以灵活地调节电机的气隙磁场，因此具有优异的调速性能。

目前，对于直流偏置型电机的驱动控制，普遍采用最大转矩电流比控制方法，即控制d轴电流始终保持为零，q轴电流的有效值与0轴电流的有效值相等。该方法有效提高了直流偏置型电机的运行效率，但是这种控制方法的缺点为：当负载增大时，功率因数降低，对逆变器容量要求提高，同时也造成了电网输电效率的降低，限制了这种电机在大功率工作场合的应用。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决对直流偏置型电机采用最大转矩电流比控制方法，使得负载增大时，功率因数降低，对逆变器容量要求提高，同时也造成了电网输电效率的降低，限制了这种电机在大功率工作场合的应用的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种直流偏置型电机的功率因数控制方法，包括：

(1)确定在满足电机的功率因数为1的前提下，d轴电流、q轴电流以及0轴电流之间需要满足的关系式；

(2)在d轴电流、q轴电流以及0轴电流满足上述关系式的前提下，计算能够使得输出的电机转矩最大时的d轴电流值、q轴电流值以及0轴电流值；

(3)将步骤(2)中计算得到的d轴电流值、q轴电流值以及0轴电流值分别作为d轴的电流给定值、q轴的电流给定值以及0轴的电流给定值，并输入电机作为d轴电流值、q轴电流值以及0轴电流值的目标值，进行无差跟踪。

可选地，所述步骤(1)包括：

若电机的功率因数保持为1，此时电流矢量与电压矢量重合，d轴电流、q轴电流以及0轴电流满足如下关系式：

其中，ud和uq分别为d轴电压和q轴电压；id、iq、i0分别为d轴、q轴、0轴电流；ls为电机的相电感，l0为电机的零轴电感；

由上式得到：ls(id²+iq²)＝l0i0iq。

可选地，所述步骤(2)包括：

电机相电流有效值is可以表示为：

电机的电磁转矩te可以表示为：

其中，np为电机的极对数，为了在同样d轴、q轴以及0轴电流有效值的情况下，保持功率因数为1，同时输出最大的电机转矩，可得到：

根据上式计算te最大时的d轴、q轴、0轴电流给定值id*、iq*、i0*分别为：

其中，is^*为电机相电流给定值，电机稳定运行时，电机相电流给定值is^*和电机相电流有效值is完全相等。

可选地，所述步骤(3)包括：

(3-1)将电机转速给定值ωe*与电机转速反馈值ωe的差值δωr送入速度调节器，速度调节器输出电枢电流给定值is*，通过调节is*，使得ωe*与ωe的差值始终为零，即ωe始终跟随ωe*的变化而变化。

(3-2)将电机转子位置信号θe，以及a、b、c相电流信号ia、ib、ic送入所述旋转坐标变换模块，经过旋转坐标变换模块得到d轴、q轴、0轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id、q轴电流反馈值iq、0轴电流反馈值i0。

(3-3)将电枢电流给定值is*和电机转速反馈值ωe送入电流分配器，所述电流分配器根据步骤(2)确定d轴、q轴、0轴电流给定值id*、iq*、i0*。

(3-4)将d轴、q轴、0轴电流给定值分别与步骤(3-2)中的d轴、q轴、0轴电流的反馈值比较后，得到d轴电流偏差δid、q轴电流偏差δiq、0轴电流偏差δi0，分别送入d轴、q轴、0轴电流调节器，得到d轴、q轴、0轴给定电压ud*、uq*、u0*，通过调节d轴、q轴、0轴给定电压使得δid、δiq、δi0始终为零，即对id*、iq*、i0*进行无差跟踪。

(3-5)将ud*、uq*与θe送入第一给定电压移相模块，定义ud*与uq*合成的电压矢量为us*，将us*分解为同步旋转坐标系下相位滞后于us*30度，大小为倍的电压矢量uα1*、uβ1*；同时，ud*、uq*与θe也送入第二给定电压移相模块，将us*分解为同步旋转坐标系下相位滞后于us*150度，大小为倍的电压矢量uα2*、uβ2*。

(3-6)将uα1*、uβ1*、u0*输入第一脉宽调制器，进行空间矢量脉宽调制，分别产生第一变流器的a1、b1、c1相pwm信号pwm1-pwm6；同时uα2*、uβ2*、u0*输入第二脉宽调制器，进行空间矢量脉宽调制，分别产生第二变流器的a2、b2、c2相pwm信号pwm7-pwm12；所述第一变流器分别输出a相、b相、c相端电压ua1、ub1、uc1；所述第二变流器分别输出a相、b相、c相端电压ua2、ub2、uc2。两个变流器的输出电压共同作用在直流偏置型电机的a相、b相、c相绕组两端，驱动电机稳定运行。

(3-7)将pwm1-pwm6送入第一变流器，同时pwm7-pwm12送入第二变流器，脉冲宽度调制信号驱动变流器产生输出电压，作用在直流偏置正线电流电机相绕组上，产生对应于输入pwm信号的带直流偏置的正弦电流信号，最终实现d轴电流、q轴电流、0轴电流的无差跟踪。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

现有直流偏置型电机的最大转矩电流比控制方法存在诸多缺点，其中之一就是随着负载的增大，电机功率因数在减小，通过本发明提供的功率因数控制方法，使得直流偏置型电机无论负载的大小，适中保持功率因数为1，并且输出最大的转矩。使得逆变器的功率得到了充分利用，同时提高了电网的输电效率，适用于直流偏置型电机在大功率工作场合的应用。

附图说明

图1为本发明提供的直流偏置型电机的功率因数控制方法流程图；

图2为直流偏置型电机的结构图；

图3为直流偏置型电机正常运行时的相电流波形；

图4为本发明提供的功率因数控制系统框图；

图5为直流偏置型正弦电流电机的空间矢量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明提供的直流偏置型电机的功率因数控制方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：

(1)确定在满足电机的功率因数为1的前提下，d轴电流、q轴电流以及0轴电流之间需要满足的关系式；

(2)在d轴电流、q轴电流以及0轴电流满足上述关系式的前提下，计算能够使得输出的电机转矩最大时的d轴电流值、q轴电流值以及0轴电流值；

(3)将步骤(2)中计算得到的d轴电流值、q轴电流值以及0轴电流值分别作为d轴的电流给定值、q轴的电流给定值以及0轴的电流给定值，并输入电机作为d轴电流值、q轴电流值以及0轴电流值的目标值，进行无差跟踪。

如图2所示，直流偏置型电机包括定子10、转子20以及绕组30，以及转轴、机壳、端盖、位置编码器等电机的其他通用结构件。该电机采用集中绕组，每相绕组中的电流波形如图3所示。这种电机的相电流波形包括正弦交流分量和直流分量，正弦交流分量用于产生旋转磁势，直流分量用于产生旋转磁场。

本发明提供的直流偏置型电机功率因数控制方法框图，如图4所示。该控制方法包括速度调节器1、电流分配器2、d轴电流调节器3a、q轴电流调节器3b、0轴电流调节器3c、第一给定电压移相模块4a、第二给定电压移相模块4b、第一脉宽调节器5a、第二脉宽调节器5b、第一变流器6a、第二变流器6b、直流偏置正弦电流电机7、速度传感器8以及旋转坐标变换模块9，脉宽调节器1表示第一脉宽调节器，脉宽调节器2表示第二脉宽调节器。

具体包括以下步骤：

(3-1)将电机转速给定值ωe*与电机转速反馈值ωe的差值δωr送入速度调节器1，速度调节器1输出电枢电流给定值is*，通过调节is*，使得ωe*与ωe的差值始终为零，即ωe始终跟随ωe*的变化而变化。

(3-2)将电机转子位置信号θe，以及a、b、c相电流信号ia、ib、ic送入所述旋转坐标变换模块9，经过旋转坐标变换模块9得到d、q、0轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id、q轴电流反馈值iq、0轴电流反馈值i0。

(3-3)电枢电流给定值is*和电机转速反馈值ωe送入电流分配器2，所述电流分配器根据单位功率因数控制原理,通过计算得到d轴电流给定值id*、q轴电流给定值iq*、0轴电流给定值i0*作为混合励磁电机的控制量，对直流偏置正弦电流电机进行控制。

下面分析直流偏置型电机的功率因数控制原理，忽略电阻压降时，直流偏置型电机在dq0同步旋转坐标系中的稳态电压方程为：

其中，ud、uq、u0分别为d轴、q轴、0轴电压；id、iq、i0分别为d轴、q轴、0轴电流；ls为电机的相电感，l0为零轴电感；ωe为电角速度；

直流偏置型正弦电流电机的空间矢量图如图5所示，其中，正交的d轴、q轴为旋转坐标系，正交的α轴、β轴为静止坐标系。us为ud与uq的合成电压矢量，即电机的空间电压矢量；us为id与iq的合成电流矢量，即电机的空间电流矢量；为us和is之间的夹角，即电机的功率因数角。为了使电机的功率因数保持为1，即则此时电流矢量与电压矢量重合，有：

由上式得到：

ls(id²+iq²)＝l0i0iq

电机稳定运行时，电机相电流给定值is^*和电机相电流有效值is完全相等，且电机相电流有效值可以表示为：

电机的电磁转矩te可以表示为：

其中，np为电机的极对数。为了在同样电流有效值的情况下，保持功率因数为1，同时输出最大的电机转矩，由上述三式联立得到：

根据上式计算te最大时的d轴、q轴、0轴电流给定值为：

(3-4)将d轴、q轴、0轴电流给定值分别与步骤(3-2)中的d轴、q轴、0轴电流的反馈值比较后，得到d轴电流偏差δid、q轴电流偏差δiq、0轴电流偏差δi0，分别送入d轴、q轴、0轴电流调节器，得到d轴、q轴、0轴给定电压ud*、uq*、u0*，通过调节d轴、q轴、0轴给定电压使得δid、δiq、δi0始终为零，即对id*、iq*、i0*进行无差跟踪。

(3-5)将ud*、uq*与θe送入第一给定电压移相模块4a，将同步旋转坐标系下的电压矢量分解为同步旋转坐标系下相位滞后于合成电压矢量30度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量uα1*、uβ1*；同时，ud*、uq*与θe也送入第二给定电压移相模块4b，将同步旋转坐标系下的电压矢量分解为同步旋转坐标系下相位滞后于合成电压矢量150度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量uα2*、uβ2*。

(3-6)将uα1*、uβ1*、u0*输入第一脉宽调制器5a，进行空间矢量脉宽调制(svpwm)，分别产生第一变流器的a1、b1、c1相pwm信号pwm1-pwm6；同时uα2*、uβ2*、u0*输入第二脉宽调制器5b，进行空间矢量脉宽调制(svpwm)，分别产生第二变流器的a2、b2、c2相pwm信号pwm7-pwm12。

(7)将pwm1-pwm6送入第一变流器6a，同时pwm7-pwm12送入第二变流器6b。脉冲宽度调制信号驱动变流器产生输出电压，作用在直流偏置正线电流电机相绕组上，产生对应于输入pwm信号的带直流偏置的正弦电流信号，最终实现d、q、0轴电流的无差跟踪。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。