一種永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)軟啟動(dòng)及同步切換領(lǐng)域，具體涉及一種永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械，要求連續(xù)以不變的速度單方向運(yùn)行，這類機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)效率低、功率因數(shù)低、損耗大，而且在啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)械特性較軟，因此在生產(chǎn)中浪費(fèi)了大量的能量。在當(dāng)下能源日趨緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，節(jié)能減排顯得尤為重要。我國(guó)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量達(dá)到5.8億千瓦以上，年用電量超過(guò)22000億千瓦時(shí)，占全國(guó)用電量的65%以上，占工業(yè)用電量的75%以上；因此電機(jī)的節(jié)能技術(shù)成為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的工程項(xiàng)目。
[0003]隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得以迅速推廣應(yīng)用。與異步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有損耗少、效率高、節(jié)電效果明顯的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)以永磁體提供勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問(wèn)題的集電環(huán)和電刷，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性；又因無(wú)需勵(lì)磁電流，沒(méi)有勵(lì)磁損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度。
[0004]永磁同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)子具體位置信息時(shí)啟動(dòng)十分困難，為了克服該問(wèn)題，需要使用變頻器對(duì)永磁同步電機(jī)實(shí)施變頻軟啟動(dòng)，同時(shí)變頻啟動(dòng)可以有效控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流沖擊，保護(hù)電機(jī)，減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
[0005]為了滿足電機(jī)連續(xù)地以不變速度單方向運(yùn)行，需要永磁同步電機(jī)在變頻器的帶動(dòng)下運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速，由變頻狀態(tài)直接同步切換到工頻電網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行。由于大功率永磁同步電機(jī)在變頻驅(qū)動(dòng)下切換到工頻會(huì)時(shí)產(chǎn)生很大沖擊電流，對(duì)永磁同步電機(jī)產(chǎn)生很大損壞，所以迫切需要減小切換瞬時(shí)沖擊電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決永磁同步電機(jī)直接啟動(dòng)困難，以及永磁同步由變頻到工頻同步切換產(chǎn)生大沖擊電流的問(wèn)題，提出一種永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)以及并網(wǎng)控制方法。
[0007]具體步驟如下:
[0008]步驟一、設(shè)定永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速ω# ;等待定時(shí)器中斷，啟動(dòng)中斷程序，對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行定位；
[0009]步驟二、電壓電流采樣模塊對(duì)永磁同步電機(jī)的三相進(jìn)線電流信號(hào)和電網(wǎng)三相電壓?目號(hào)進(jìn)行米樣；
[0010]步驟三、將電網(wǎng)三相電壓信號(hào)傳輸?shù)紻SP中的單同步坐標(biāo)鎖相環(huán)控制SPLL鎖相環(huán)環(huán)節(jié);
[0011]SPLL鎖相環(huán)環(huán)節(jié)包括三相電壓坐標(biāo)變換模塊、ΡΙ調(diào)節(jié)器模塊和I調(diào)節(jié)器模塊，電網(wǎng)三相電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)三相電壓坐標(biāo)變換模塊生成q軸電壓分量，q軸電壓分量經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器模塊及I調(diào)節(jié)器模塊后得到電網(wǎng)的幅值、頻率和相位。
[0012]步驟四、電機(jī)轉(zhuǎn)速位置采樣模塊對(duì)永磁同步電機(jī)的速度和位置進(jìn)行采樣，得到電機(jī)實(shí)際速度
[0013]步驟五、將永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速ω#和電機(jī)實(shí)際速度的差值送入速度ΡΙ調(diào)節(jié)器模塊中，得到q軸給定電流分量isq* ;
[0014]步驟六、對(duì)電機(jī)的三相進(jìn)線電流進(jìn)行電流坐標(biāo)變換，分別經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器模塊得到d軸和q軸給定電壓變換量的分量；
[0015]電流坐標(biāo)變換后分別得到d軸的電流分量isd和q軸的電流分量i sq;d軸電流分量送入d軸電流PI調(diào)節(jié)器模塊中，得到d軸給定電壓變換量的分量Ausd;同時(shí)，q給定電流分量isq*與q軸的電流分量isq之間的差值送入q軸電流PI調(diào)節(jié)器模塊中，得到q軸給定電壓變換量的分量AUsq;
[0016]步驟七、電流坐標(biāo)變換后得到的d軸電流分量isd和q軸的電流分量i sq送入電壓前饋程序模塊中，得到d軸給定電壓分量usd*和q軸給定電壓分量usq*。
[0017]步驟八、d軸和q軸給定電壓變換量的分量分別與d軸和q軸給定電壓分量作差，差值送入電壓幅角變換模塊中得到模值m和角度θη。
[0018]把d軸給定電壓變換量的分量Δ usd與d軸給定電壓分量u sd*之間的差值，q軸給定電壓變換量的分量A 1^與q軸給定電壓分量!!^*之間的差值分別送入電壓幅角變換模塊中得到一個(gè)模值m和一個(gè)角度9m。
[0019]步驟九、模值m和角度θ n送入SVPWM模塊中得到SVPWM脈沖波所需的初始位置、占空比和頻率信息，并通過(guò)DSP的GP10 口發(fā)送到FPGA中；
[0020]步驟十、FPGA發(fā)出SVPWM脈沖電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電/光轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)變頻器中電力電子器件IGBT的開(kāi)關(guān)，使變頻器輸出三相階梯波電壓，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)；
[0021]步驟十一、DSP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判定變頻器和電網(wǎng)三相電壓的幅值、相位、頻率的差值是否達(dá)到并網(wǎng)切換條件，如果是，DSP發(fā)出并網(wǎng)控制切換指令，中斷返回；否則返回步驟二 ；
[0022]通過(guò)變頻器比較輸出的三相電壓的幅值、相位、頻率和SPLL鎖相環(huán)環(huán)節(jié)輸出的電網(wǎng)的幅值、相位、頻率:當(dāng)兩者的幅值相等，相位之差在_10度到10度之間，頻率在-0.5Hz到0.5Hz之間時(shí)，DSP發(fā)出切換控制信號(hào)，切換控制信號(hào)通過(guò)電/光轉(zhuǎn)換模塊和光/電轉(zhuǎn)換模塊后送入繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，點(diǎn)亮繼電器驅(qū)動(dòng)三相交流接觸器的閉合和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻狀態(tài)到電網(wǎng)工頻狀態(tài)的同步切換。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0024]1、一種永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)以及并網(wǎng)控制方法，采用SPLL鎖相環(huán)技術(shù)可以在電網(wǎng)幅值低落、頻率突變及電網(wǎng)相位突變時(shí)快速地跟蹤電網(wǎng)相位，并且不需要任何輔助電路，完全可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)鎖相。降低了控制系統(tǒng)的成本，使控制板運(yùn)行更加可靠。
[0025]2、一種永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)以及并網(wǎng)控制方法，通過(guò)軟件程序判斷切換條件并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)切換，可以使并網(wǎng)更加順利，并網(wǎng)沖擊電流控制在1.5倍額定電流以下。
[0026]3、一種永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)以及并網(wǎng)控制方法，采用通過(guò)人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線可調(diào)，避免了參數(shù)修改時(shí)對(duì)調(diào)試電機(jī)的影響，使調(diào)試更加便捷、快速。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為永磁同步電機(jī)變頻軟起動(dòng)及并網(wǎng)方法中斷程序流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]—種永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制方法，在永磁同步電機(jī)變頻啟動(dòng)運(yùn)行到給定轉(zhuǎn)速，通過(guò)SPLL鎖相環(huán)環(huán)節(jié)鎖定電機(jī)電壓幅值、相位、頻率與變頻器輸出的電壓幅值、相位、頻率在一定范圍之內(nèi)時(shí)，控制板發(fā)出切換控制命令，通過(guò)三相交流接觸器最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻到工頻小沖擊電流的同步切換。
[0030]該方法包括以下部分:永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位環(huán)節(jié)、永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)、SPLL鎖相環(huán)環(huán)環(huán)節(jié)、永磁同步電機(jī)變頻到工頻并網(wǎng)環(huán)節(jié)和人機(jī)交互環(huán)節(jié)。所有環(huán)節(jié)是通過(guò)TI公司TMS320F28335DSP和ALTER公司的EP2C8Q20818N FPGA作為主要控制芯片的控制板實(shí)現(xiàn)。
[0031 ] 如圖1所示，具體步驟如下:
[0032]步驟一、設(shè)定永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速ω# ;等待定時(shí)器中斷，啟動(dòng)中斷，進(jìn)入中斷程序后對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行定位；
[0033]初始化包括系統(tǒng)初始化和外設(shè)初始化；系統(tǒng)初始化包括:初始化看門狗、時(shí)鐘及中斷向量表等；外設(shè)初始化包括初始化SC1、eQEP和事件管理器等；
[0034]設(shè)置定時(shí)器T1中斷，定時(shí)器T1中斷信息到來(lái)時(shí)，進(jìn)入中斷程序，對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行定位，即永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到初始位置，得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置角信息。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位是通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)定子通一定大小的直流電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)初始位置定位。
[0035]永磁同步電機(jī)初始定位模塊中，DSP上電初始化以后，給定SVPWM模塊一個(gè)模值大小為0.2，角度為0的電壓，借助電磁力把隨機(jī)的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到初始位置，在DSP的eQEP模塊中得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置角信息。
[0036]步驟二、電壓電流采樣模塊對(duì)永磁同步電機(jī)的三相進(jìn)線電流信號(hào)和電網(wǎng)三相電壓?目號(hào)進(jìn)行米樣；
[0037]步驟三、將電網(wǎng)三相電壓信號(hào)傳輸?shù)紻SP中的SPLL鎖相環(huán)環(huán)節(jié)；
[0038]所述的SPLL鎖相環(huán)環(huán)節(jié)作用是能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)相位，并在電網(wǎng)突變時(shí)也能跟隨。鎖相環(huán)鎖定角度的準(zhǔn)確性是決定切換小沖擊電流的關(guān)鍵。
[0039]運(yùn)用SPLL (單同步坐標(biāo)鎖相環(huán)控制)環(huán)節(jié)，包括三相電壓坐標(biāo)變換模塊、ΡΙ (比例積分)調(diào)節(jié)器模塊、1(積分)調(diào)節(jié)器模塊等，采集的電網(wǎng)三相電壓信