一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法
【专利摘要】本发明公开了交流内燃机车中利用同步发电机变频起动柴油机的一种控制方法，包括：根据计算的空载励磁电流ifb，进行空载预励磁；判断励磁电流是否达到ifb，如没有达到，则返回继续预励磁，反之则根据预设的初始位置角，进行初始定位；判断初始定位是否完成，如完成，则根据预设的起动时间，选择转矩指令曲线，反之则返回继续定位；根据转矩指令曲线，进行转矩环控制；判断电机转速是否达到设定的点火速度，如达到，则停机，反之则返回继续控制。本发明实现了功率因数精确为1的同步发电机气隙磁场控制策略，同时通过设计的一个按照预设的起动完成时间规划转矩指令曲线的离线计算方法，更好地优化了起机系统中需要的电机输出电流。
【专利说明】一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及交流内燃机车柴油机变频起动【技术领域】，更具体地说，涉及一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法。
【背景技术】
[0002]在交流内燃机车等场合，可以利用其本身的牵引逆变器来驱动柴油机-同步发电机机组中的同步发电机电动运行，进而实现柴油机起动，这样就能省去专用起动电机和齿轮箱的投资和空间布置。
[0003]现有的同步发电机变频起动柴油机方案，根据同步发电机励磁回路和电枢回路的连接方式，可以分为串励和并励两种。在串励方案中，同步发电机作为直流无换向器电动机工作于电动状态，励磁绕组需要并联分流电阻实现串励控制，该控制方案已经在实际中广泛应用，其原理简单，但是需要额外的电阻来控制励磁，且励磁的控制范围较窄，电机转矩控制的效果比较粗放，系统的输出电流较大。而关于并励方案，虽然在驱动逆变器的电路拓扑以及同步发电机的控制方面已经提出了一些方案，但是还缺乏真正实用的高性能的系统解决方案。且现有方案中的变频起动控制方法中的功率因数只能近似为1，其中，忽略了 d轴漏感Lss的影响，而实际上对柴油发电机组中的同步发电机而言，d轴漏感Lss和d轴电枢反应电感Lmd相比，所占比重还是相当大的，直接忽略掉，会带来相当大的控制误差。
[0004]另外，现有的变频起动方案中，是按照系统最大可能输出的转矩来快速起动同步电机，而实际中，有的情况下，并不需要那么快速地起动，只要能按照预设的起动时间完成起动即可。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法，实现了功率因数精确为I的气隙磁场控制策略，使电机能以最小的输出电流实现需要的输出转矩，以减小蓄电池的输出电流；同时，设计了一个按照预设的起动完成时间规划转矩指令曲线的离线计算方法，以便更好地优化起机系统中需要的电机输出电流，进一步减小蓄电池的输出电流，使蓄电池输出电压保持在一个较高的水平，提高了蓄电池对其他设备的供电可靠性，同时延长了蓄电池的使用寿命。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1，根据计算的空载励磁电流ifb，进行空载预励磁；
[0008]步骤2，判断励磁电流是否达到ifb，如没有达到，则返回步骤1，继续预励磁，反之则进入步骤3 ；
[0009]步骤3，根据预设的初始位置角，进行初始定位；
[0010]步骤4，判断初始定位是否完成，如完成，则进入步骤5，反之则返回步骤3继续定位；[0011]步骤5，根据预设的起动时间，选择转矩指令曲线；
[0012]步骤6，根据转矩指令曲线，进行转矩环控制；
[0013]步骤7，判断电机转速是否达到设定的点火速度，如达到，则进入步骤8，反之则返回步骤6继续控制；
[0014]步骤8，停机。
[0015]优选地，所述进行转矩环控制的具体步骤如下:
[0016]步骤1，读电机控制环运行指令，若允许运行，则进入步骤2，反之则进入步骤25 ；
[0017]步骤2,读当前转速ω ；
[0018]步骤3，根据指令曲线选择当前转矩指令；
[0019]步骤4，利用最大包络线对转矩指令限幅控制；
[0020]步骤5，计算反馈转矩，进行转矩PI控制，输出指令i_f ；
[0021 ]步骤6,根据给定气隙磁链,计算q轴电流限流幅值iqmaxl ；
[0022]步骤7，利用i,xl对限幅，输出ivefQ ；
[0023]步骤8，根据给定气隙磁链，计算q轴电流限流幅值i,x2 ；
[0024]步骤9，利用iqmax2对i vefQ限幅，输出i vef:；
[0025]步骤10,根据输入Ψ δ、iqrefl,计算d轴电流指令i/ ；
[0026]步骤11,根据Ψ δ、iqrefl和id%计算励磁电流给定值if ；
[0027]步骤12，采集励磁电流反馈值if fdb，根据if和if fdb，进行滞环控制，输出励磁电压Uf ;
[0028]步骤13，根据i/和逆变器最大电流幅值imax，计算q轴电流限流幅值i,x ;
[0029]步骤14，由i,x对i_fl进行限幅控制，输出q轴电流指令;
[0030]步骤15，读位置传感器脉冲信号，结合预设的初始位置，计算位置角Θ ；
[0031]步骤16,检测电机相电流ia、ib,再结合Θ ,坐标变换,计算反馈电流id、iq ；
[0032]步骤17，d轴电流PI控制，输出Ud，q轴电流PI控制，输出Uq ;
[0033]步骤18，根据Ud、U,和Θ，坐标变换，输出Ua，Ue ;
[0034]步骤19，由Ua、Ue，计算电压峰值Upeak ；
[0035]步骤20，给定 Uref=0.52*udc，对 Upeak 进行 PI 控制，输出 Ψ s i ;
[0036]步骤21,由Ψ Sb、ω和ω。，计算前馈ψ δ2 ；
[0037]步骤22，对Ψ δ2进行幅值限制，输出Ψ S3 ;
[0038]步骤23，将Ψ δ3> Ψ S1相加，进行最大、最小值限制，输出Ψ s ;
[0039]步骤24，将Ua、Ue输入SVP丽调制模块，调制电压输出到电机，转到步骤I ;
[0040]步骤25，退出转矩环控制。
[0041]从上述的技术方案可以看出，本发明公开的一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法，针对现有的同步电机变频起动近似功率因数为I控制误差较大的问题，设计一个真正的功率因数为I的气隙磁场控制算法，实现高精度的控制；在满足控制性能的前提下，通过对外加转矩指令的规划计算，优化转矩输出，尽可能的减小了蓄电池的输出容量。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]图1为本发明公开的一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法的流程图；
[0044]图2为本发明公开的转矩环控制的流程图；
[0045]图3为本发明公开的同步电机变频起动柴油机系统的结构示意图；
[0046]图4为本发明公开的同步电机空间矢量图；
[0047]图5为本发明公开的恒定气隙磁场电机控制策略框图；
[0048]图6为本发明公开的同步电机转矩-转速曲线示意图；
[0049]图7为本发明公开的带有弱磁控制的气隙磁场控制策略框图；
[0050]图8为本发明公开的转矩环控制框图；
[0051]图9为本发明公开的增量式传感器的示意图。
【具体实施方式】
[0052]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]本发明实施例公开了一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法，实现了功率因数精确为I的气隙磁场控制策略，使电机能以最小的输出电流实现需要的输出转矩，以减小蓄电池的输出电流；同时，设计了一个按照预设的起动完成时间规划转矩指令曲线的离线计算方法，以便更好地优化起机系统中需要的电机输出电流，进一步减小蓄电池的输出电流，使蓄电池输出电压保持在一个较高的水平，提高了蓄电池对其他设备的供电可靠性，同时延长了蓄电池的使用寿命。
[0054]如图1所示，一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法，包括以下步骤:
[0055]S101、根据计算的空载励磁电流ifb，进行空载预励磁；
[0056]S102、判断励磁电流是否达到ifb，如没有达到，则返回步骤S101，继续预励磁，反之则进入步骤S103 ；
[0057]S103、根据预设的初始位置角，进行初始定位；
[0058]S104、判断初始定位是否完成，如完成，则进入步骤S105，反之则返回步骤S103继续定位；
[0059]S105、根据预设的起动时间，选择转矩指令曲线；
[0060]S106、根据转矩指令曲线，进行转矩环控制；
[0061]S107、判断电机转速是否达到设定的点火速度，如达到，则进入步骤S108，反之则返回步骤S106继续控制；
[0062]S108、停机。
[0063]具体的，上述的进行转矩环控制的具体步骤如图2所示，包括:
[0064]S201、读电机控制环运行指令，若允许运行，则进入步骤S202，反之则进入步骤S225 ；[0065]S202、读当前转速ω ；
[0066]S203、根据指令曲线选择当前转矩指令；
[0067]S204、利用最大包络线对转矩指令限幅控制；
[0068]S205、计算反馈转矩，进行转矩PI控制，输出指令Itffef ；
[0069]S206、根据给定气隙磁链，计算q轴电流限流幅值i,xl ；
[0070]S207、利用 i,xl 对 ivef 限幅，输出 Itffefci ；
[0071]S208、根据给定气隙磁链，计算q轴电流限流幅值i,x2 ；
[0072]S209、利用 iqmax2 对 ivefQ 限幅，输出 ivefl ；
[0073]S210、根据输入Ψ δ、Itffefl，计算d轴电流指令i/ ；
[0074]S211、根据Ψ δ、iqrefl和i/,计算励磁电流给定值if ；
[0075]S212、采集励磁电流反馈值if fdb，根据if和if—fdb，进行滞环控制，输出励磁电压Uf ;
[0076]S213、根据i/和逆变器最大电流幅值imax，计算q轴电流限流幅值i,x ;
[0077]S214、由i,x对i_fl进行限幅控制，输出q轴电流指令;
[0078]S215、读位置传 感器脉冲信号，结合预设的初始位置，计算位置角Θ ；
[0079]S216、检测电机相电流ia、ib,再结合Θ ,坐标变换,计算反馈电流id、iq ；
[0080]S217、d轴电流PI控制，输出Ud，q轴电流PI控制，输出Uq;
[0081]3218、根据仏、1和Θ，坐标变换，输出Ua，Ue ;
[0082]S219、由 Ua、Ue，计算电压峰值 Upeak ；
[0083]S220、给定 Uref=0.52*udc，对 Upeak 进行 PI 控制，输出 Ψδ1 ；
[0084]S221、由 Ψ Sb、ω 和 ω。，计算前馈 ψ S2 ;
[0085]S222、对Ψ δ2进行幅值限制，输出Ψδ3 ;
[0086]S223、将Ψ δ3> Ψ S1相加，进行最大、最小值限制，输出Ψ δ ;
[0087]S224jfUa、Ue输入SVPWM调制模块，调制电压输出到电机，转到步骤S201 ；
[0088]S225、退出转矩环控制。
[0089]下面对本发明的工作原理及过程进行详细的描述。
[0090]如图3所示，为本发明公开的同步电机变频起动柴油机系统的系统构成，主要包括蓄电池、逆变器主电路、同步发电机、柴油机、电压和电流信号处理电路、位置信号处理电路、接触器驱动电路、驱动控制系统和机车控制系统。其中，蓄电池给整个系统提供电源；逆变器主电路中，二极管Dl防止逆变器对蓄电池反充电流，电容C起滤波和支撑作用，T1-T6构成三相两电平逆变器完成逆变功能，T7和T8实现励磁电流的斩波控制，KM1、KM2和KM3三个接触器实现起机系统的投切；电压电流信号处理电路检测电机两相电流1和ib、励磁电流if—fdb以及中间直流电压Ud。，并将这些信号调理后，送给驱动控制系统采集；位置信号处理电路将采集到的脉冲信号处理成周期性变化的信号给驱动系统读取；接触器驱动电路接收驱动控制系统的开通、关断指令，将其放大去驱动KM1、KM2和KM3的通断；机车控制系统完成对整车系统的监测和控制，起机控制系统是否能够运行，由其下发给驱动控制系统的命令来决定，同时驱动控制系统将柴油机起动系统的运行状态反馈给机车控制系统；驱动控制系统是整个控制系统的核心，同步电机的变频起动控制方法由其完成。
[0091]本发明公开的功率因数为I的控制原理描述如下。[0092]采用牵引变流器-主发电机变频起动柴油机时，直流母线电压由蓄电池提供，根据现行铁路标准，蓄电池的输出电压一般为74V或110V，因而属于低压大电流的变流系统。但是在工作过程中，蓄电池输出瞬时电流不能太大以防止蓄电池电压太低，不能给控制系统正常供电。因此，采用功率因数为I的控制方法，尽量减小柴油机的输出电流是最合适的选择。而传统的气隙磁场定向功率因数为I矢量控制策略需要变换坐标到M-T坐标系下，实现麻烦，这里提出一种在转子磁场定向坐标系下，对气隙磁场进行控制并实现功率因数为I的控制方法。
[0093]根据如图4所示的同步电机空间电压矢量图，推导出功率因数为I的充分条件是:
【权利要求】
1.一种交流内燃机车柴油机变频起动控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，根据计算的空载励磁电流ifb，进行空载预励磁； 步骤2，判断励磁电流是否达到Ifb，如没有达到，则返回步骤1，继续预励磁，反之则进入步骤3 ； 步骤3，根据预设的初始位置角，进行初始定位； 步骤4，判断初始定位是否完成，如完成，则进入步骤5，反之则返回步骤3继续定位； 步骤5，根据预设的起动时间，选择转矩指令曲线； 步骤6，根据转矩指令曲线，进行转矩环控制； 步骤7，判断电机转速是否达到设定的点火速度，如达到，则进入步骤8，反之则返回步骤6继续控制； 步骤8,停机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行转矩环控制的具体步骤如下: 步骤I，读电机控制环运行指令，若允许运行，则进入步骤2，反之则进入步骤25 ； 步骤2,读当前转速ω ； 步骤3,根据指令曲线选择当前转矩指令； 步骤4，利用最大包络线对转矩指令限幅控制； 步骤5，计算反馈转矩，进行转矩PI控制，输出指令i_f ；` 步骤6,根据给定气隙磁链,计算q轴电流限流幅值iqmaxl ； 步骤7，利用i,xl对限幅，输出
iqrefO ? 步骤8,根据给定气隙磁链,计算q轴电流限流幅值iqmax2 ； 步骤9,利用
iqmax2 ^qrefO 限幅，输出Iqrafl ; 步骤10，根据输入Ψ δ、ivefl，计算d轴电流指令i/ ； 步骤11，根据Ψ S、IqrefI和i/，计算励磁电流给定值if ; 步骤12，采集励磁电流反馈值if—fdb，根据if和if—fdb，进行滞环控制，输出励磁电压Uf ； 步骤13，根据i/和逆变器最大电流幅值imax，计算q轴电流限流幅值i,x ; 步骤14，由iqmax对i_fl进行限幅控制，输出q轴电流指令； 步骤15，读位置传感器脉冲信号，结合预设的初始位置，计算位置角Θ ； 步骤16,检测电机相电流ia、ib,再结合Θ ,坐标变换,计算反馈电流id、iq ； 步骤17，d轴电流PI控制，输出Ud，q轴电流PI控制，输出Uq ； 步骤18，根据Ud、U,和Θ，坐标变换，输出Ua，Ue ； 步骤19，由Ua、Ue，计算电压峰值Upeak; 步骤20，给定Uref=0.52*udc，对Upeak进行PI控制，输出Ψ s丨； 步骤21，由Ψ Sb、ω和ω c，计算前馈ψ S2 ; 步骤22，对Vs2进行幅值限制，输出Ψδ3; 步骤23，将Ψδ3、Ψ S1相加,进行最大、最小值限制,输出； 步骤24，将Ua、Ue输入SVPWM调制模块，调制电压输出到电机，转到步骤I ; 步骤25，退出转矩环控制。
【文档编号】H02P9/08GK103490675SQ201310472827
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】冯江华, 张朝阳, 许峻峰, 刘可安, 尚敬, 南永辉, 何良, 刘雄, 文宇良, 何亚屏 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司