脉冲发电机组的电机驱动装置和脉冲发电机组的制作方法

本发明涉及大功率脉冲发电机组的电机驱动装置和大功率脉冲发电机组，尤其涉及电机变频器控制的电机驱动转子时保持变频器电流平稳，降低对电网冲击的技术。

背景技术：

在核聚变等研究领域，广泛使用大功率脉冲发电机组为装置提供电能。大功率脉冲发电机组利用惯性储能技术，电动机从电网汲取能量驱动转子(飞轮)高速旋转储存动能，放电时，发电机以最大功率将动能转换成脉冲电能，动能释放后转子的转速下降，电动机再次驱动转子储能，脉冲放电和转子驱动循环进行。

由于转子的转速有最大转速的限制，电动机的调速控制通常采用矢量控制。即，设定一个给定频率(如50hz)，控制器根据转子的频率与给定频率之间的偏差，通过控制电动机(绕线异步电机)的转矩电流来控制转子的频率。在控制过程中，电动机的转矩随着外界负载变化在最小值与最大值之间变化，与外界负载保持平衡。

大功率脉冲发电机组如为聚变实验装置的磁场提供脉冲电能的300mva的立式脉冲发电机组，其发电机组转子的重量370t左右，由8500kw电机的异步绕线电机驱动。驱动电机与转子同轴连接，由矢量控制变频器控制电机的转速，对变频器来说，就是用一台8500kw电机将一个370t的大铁个体从静止运转到给定频率。

尽管电机的功率仅有发电机能力相比非常微小(3％不到)，8500kw电机对电网而言仍是巨大的负载，变频器电流大的变化会对电网造成冲击，影响电网的供电安全。对巨大质量(惯量)的转子进行速度控制，在控制过程中，变频器电流会发生非常大的变化。

并且，在转子的转速在接近给定频率时，巨大惯量的转子极易发生超调，而回调时，转子动能的释放会通过电机以电能的形式回馈到变频器，不仅会损坏变频器，还会对电网造成冲击，影响供电安全。

本发明的目的在于解决以上现有技术的问题，提供一种不会引起变频器电流发生较大的变化，影响电网供电的功率脉冲发电机组的电机驱动装置和功率脉冲发电机组。

技术实现要素：

本发明的第一技术方案为大功率脉冲发电机组的电机驱动装置，所述大功率脉冲发电机组包括脉冲发电机、电机(2)，所述电机(2)驱动所述脉冲发电机中的转子(3)旋转储能，所述脉冲发电机放电时，转子(3)的动能转换成电能输出脉冲电流，其特征在于所述电机驱动装置包括，矢量控制变频器(1)和转矩控制器(4)，

所述转矩控制器(4)包括，

转矩初值设定模块(41)，用于设定所述电机(2)的转矩初值(iqset0)；；

给定频率设定模块(42)，用于设定所述电机(2)的给定频率(fset)；；

运行频率判断模块(43)，用于判断所述电机(2)的运行频率(frun)是否大于所述给定频率(fset)；

转矩给定值设定模块(44)，根据所述运行频率判断模块的判断结果，在所述电机(2)的运行频率(frun)小于所述给定频率(fset)时，用所述转矩初值(iqset0)设定转矩给定值(iqset)，在运行频率(frun)大于等于所述给定频率(fset)时，根据其差值(x)和所述转矩初值(iqset0)计算转矩给定值(iqset)，所述转矩给定值(iqset)随着所述差值(x)增大而变小；

所述矢量控制变频器(1)根据所述转矩给定值(iqset)与所述电机(2)的转矩电流(iq)的差值，控制所述电机(2)。

第一技术方案的效果：由于矢量控制变频器(1)根据转矩给定值(iqset)和电机(2)的转矩电流(iq)的差值控制所述电机(2)，并且，在运行频率(frun)大于等于所述给定频率(fset)时，根据其差值(x)和所述转矩初值(iqset0)计算转矩给定值(iqset)，所述转矩给定值(iqset)随着所述差值(x)增大而变小，不仅能够快速地驱动转子(3)旋转，转子(3)旋转到给定频率(fset)附近时，还能卸掉多余的转矩，保证转子转速的稳定，整个过程中变频器电流不会发生大的变化，降低了对电网的冲击。

第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，所述转矩控制器(4)还包括，

启动转矩计算模块(45)，用于计算所述电机启动时的转矩给定值(iqset)，

计数模块(46)，用于对控制周期进行计数，

所述启动转矩计算模块(45)，根据计数模块(46)的计数值(cnt)，计算转矩给定值(iqset)，所述转矩给定值(iqset)随着计数值(cnt)的增加逐渐增大，在计数值(cnt)达到计数阈值后，用所述转矩初值(iqset0)赋值转矩给定值(iqset)。

第二技术方案效果：由于在驱动的初始阶段，利用控制周期控制转矩给定值(iqset)，随着控制周期的增加逐渐加大转矩给定值(iqset)，防止了驱动的初始阶段，变频器电流发生大的变化，冲击电网。

第三技术方案基于第一技术方案，其特征在于，

所述转矩给定值设定模块(44)，根据以下算式计算转矩给定值(iqset)，

iqset＝iqset0*(m-x)*(m-x)/m²，

其中，x为整数，x＝|fset-frun|，m为调整转矩的频率范围。

第三技术方案的效果：能够利用整数运算，简单并且高精度的计算转矩给定值(iqset)。

第四技术方案基于第一技术方案，其特征在于，

所述转矩给定值设定模块(44)，根据以下算式计算转矩给定值(iqset)，

iqset＝iqset0*(n-x)*(n-x)，

其中，x为浮点数，x＝|fset-frun|，n为调整转矩的频率范围。

第四技术方案的效果：能够利用浮点数运算，简单并且高精度的计算转矩给定值(iqset)。

第五技术方案基于第二技术方案，其特征在于，

所述启动转矩计算模块(45)，按照以下算式计算电机启动时的转矩给定值(iqset)，

iqset＝iqset0*(r+s*cnt/q)，

其中，r为初始值，r+s＝1，cnt为计数值，q为计数阈值。

第五技术方案的效果：能够简单并且高精度的计算转矩给定值(iqset)，并且通过调整r和s的比例，能够简单的调整初始的转矩给定值(iqset)和每一个控制周期的增量。

第六技术方案基于第二技术方案，其特征在于，

在给定频率设定模块(42)调整给定频率(fset)时，所述转矩控制器(4)，判断调整后的给定频率(fset1)是否大于调整前的给定频率(fset0)，如果不大于调整前的给定频率(fset0)，在调整后的给定频率(fset1)小于运行频率(frun)之前，所述矢量控制变频器(1)停止驱动所述电机(2)。

第六技术方案的效果：能够防止因给定频率(fset0)下调造成电机处于发电机状态，转子动能在电机中转换成电能对电网造成的冲击以及损坏变频器。

第七技术方案基于第二技术方案，在所述脉冲发电机发电前，所述矢量控制变频器(1)封锁输出。

第七技术方案的效果：由于在所述脉冲发电机发电前，所述矢量控制变频器(1)封锁输出，因此，脉冲发电机发电时，变频器以及电网与负载之间处于脱离状态，避免了放电对变频器以及电网造成的不良影响。

第八技术方案基于第一至第七技术方案中的任一技术方案，其特征在于，

所述电机(2)的功率为所述脉冲发电机的功率的5％以下。

第八技术方案的效果：与脉冲发电机的功率相比，能够降低电机和变频器的功率，减小其体积和成本。

第九技术方案第一至第七技术方案中的任一技术方案，其特征在于，所述电机(2)为异步绕线电机，所述转矩电流(iq)由异步绕线电机的电流通过坐标转换和解耦运算得到。

第九技术方案的效果：能够提高电机(2)的控制特性。

第十技术方案为大功率脉冲发电机组，所述大功率脉冲发电机组包括脉冲发电机、电机(2)、电机驱动装置，所述电机驱动装置驱动所述电机(2)，由所述电机(2)驱动所述脉冲发电机中的转子(3)旋转储能，所述脉冲发电机放电时，转子(3)的动能转换成电能输出脉冲电流，其特征在于所述电机驱动装置采用第一至第九技术方案中的任一技术方案。

第十技术方案的效果：大功率脉冲发电机组在使用过程中，不会对电网造成的冲击。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为大功率脉冲发电机组的电机驱动装置的系统图；

图2为转矩控制器的结构示意图；

图3为转矩控制器的转矩设定流程图：

图4为转矩控制器的启动转矩设定流程图。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

在本实施方式中，大功率脉冲发电机组为300mva的立式脉冲发电机组。该立式脉冲发电机组用于为聚变实验装置的磁场提供脉冲电能。发电机组转子的重量370t左右(国内最大)，由变频器控制的8500kw异步绕线电机驱动。如图1所示，驱动电机2与转子3同轴连接(如图1)，电机2由电压矢量控制变频器1控制。对变频器来说，就是用一台8500kw电机将一个370t的大铁个体从静止运转到给定频率。给定频率可以选择，如5hz，10hz，50hz等。

转子从0hz旋转到50hz大约为15分钟。大约持续15秒钟的放电后，转子的转速下降到33hz左右。之后再次驱动将转子加速到50hz等待下一次放电。

电压矢量控制变频器1包括转矩电流pi调节器11、励磁电流pi调节器12、电流检测器13、低通滤波器14、旋转坐标变换器15、转矩控制器4。

电压矢量控制变频器1与电网连接，根据转矩控制器4设定的转矩给定值iqset控制电机2。即，电流检测器13检测三相电机电流中的两相。检测到电流由低通滤波器14滤波后，输入到旋转坐标变换器15进行坐标转换，解耦出转矩电流iq和励磁电流id。

转矩控制器4产生的转矩给定值iqset与转矩电流iq的差值作为控制量由转矩电流pi调节器11调节，电流pi调节器11生成的转矩电压控制量uq。

励磁电流给定值idset与解耦得到的励磁电流id的差值作为励磁电流控制量由励磁电流pi调节器12调节。电压矢量控制变频器1根据励磁电流pi调节器12生成的励磁电压控制量uq与转矩电压控制量uq，通过坐标变换，形成电压矢量输出，控制电机2的三相电流。

以下对转矩控制器4进行说明。图2是转矩控制器的结构示意图，如图2所示，转矩控制器4包括，

转矩初值设定模块41，用于设定所述电机2的转矩初值iqset0；

给定频率设定模块42，用于设定所述电机2的给定频率(fset)；

运行频率判断模块43，用于判断所述电机2的运行频率frun是否大于给定频率fset；

转矩给定值设定模块44，根据运行频率判断模块43的判断结果，在电机2的运行频率frun小于给定频率fset时，用转矩初值iqset0设定转矩给定值iqset，在运行频率frun大于等于给定频率fset时，根据其差值x和转矩初值iqset0计算转矩给定值iqset，转矩给定值iqset随着所述差值(x)增大而变小；

输出模块47，输出设定的转矩给定值iqset。

电压矢量控制变频器1根据基于转矩给定值iqset与所述电机2的转矩电流iq的差值的转矩电压控制量uq，控制所述电机2。

以下根据图3的转矩设定流程图，对转矩的设定进行说明。如图3所示，

步骤20，转矩初值设定模块41设定电机2的转矩初值iqset0。

步骤s21，运行频率判断模块43，读取电机2的运行频率frun。

步骤s22，运行频率判断模块43判断所述电机2的运行频率frun是否大于等于给定频率fset；如果大于步骤s24，否则进入步骤s23。

步骤s23，转矩给定值设定模块44，用转矩初值iqset0设定转矩给定值iqset。

步骤s24，转矩给定值设定模块44计算运行频率frun与给定频率fset差值的绝对值x。

步骤s25，转矩给定值设定模块44，根据x和转矩初值iqset0计算转矩给定值iqset。计算式如下所示，

若x为浮点数，

iqset＝iqset0*(0.1-x)*(0.1-x)，

其中，1.0对应50.0hz；

x≤0.1(频率范围：0.0～5.0hz)，

x>0.1时，iqset＝0。

若x为整数：

iqset＝iqset0*(32-x)*(32-x)/1024，

其中，500对应50hz，

x≤32(频率范围：0.0～3.2hz)，

x>32时，iqset＝0。

步骤s26，输出模块47输出转矩给定值iqset。

通过以上处理，电机2能稳定在设定频率附近，并且电流波动很小。

以下对第二实施例进行说明。

在第二实施例中，对初始启动时的转矩设定进行说明。

图4为转矩控制器的启动转矩设定流程图，该流程在定时中断中执行，如图4所示，

步骤s10，启动转矩计算模块45，读取转矩初值iqset0。

步骤s11，启动转矩计算模块45，根据下式计算初始启动时的转矩给定值iqset。输出模块47输出转矩给定值iqset。

计算式如下：

iqset＝iqset0*(0.5+0.5*cnt/300)

步骤s12，计算模块1的计数值cnt加一。

cnt＝cnt+1。

步骤s13，判断cnt是否大于等于300，如果cnt小于300，返回步骤s11，在下一控制周期(定时中断)继续计算转矩给定值iqset。

如果cnt大于等于300初始启动结束，进入步骤s14，

步骤s14，启动转矩计算模块45用转矩初值iqset0设定转矩给定值iqset。

步骤s15，输出模块47输出转矩给定值iqset。

通过以上处理，与实施方式相比，由于启动电流峰值比后面增加很小，在启动阶段也不会对电网造成影响。