[發明專利]無刷級聯雙饋電機的矢量控制方法

有效

• 申請號: 201010236981.1
• 申請日: 2010-07-26
• 公開（公告）號: CN101938244A
• 公開（公告）日: 2011-01-05
• 發明（設計）人: 邵詩逸;烏云翔;朱臻;杜欣立;徐奕翔;聶贊相
• 申請（專利權）人: 邵詩逸
• 主分類號: H02P21/13
• 分類號: H02P21/13;H02P21/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種特殊電機的控制，特別是對無刷級聯雙饋電機的變頻變壓矢量控制方法，實現電機的穩定控制和可靠運行。

背景技術：

雙饋感應電機被廣泛應用在風力發電領域，并且曾經因為成本和體積上的優勢，占據了超過50％的市場份額，然而近幾年因為其維護和低電壓穿越上的劣勢，市場份額有所降低。

無刷級聯雙饋電機是雙饋感應電機的一個改進版本，它保留了雙饋感應電機的所有優點，并且除去了維護要求更高的電刷，采用無刷操作，大大降低了其維護成本。

無刷級聯雙饋電機的原理在20世紀初就被提出，采用兩個感應電機級聯的方法實現低速運轉。90年代初，現代化無刷級聯雙饋電機的設計基本定型。此電機采用兩組獨立的定子繞組，采用不同的級對數來防止相互之間的耦合。轉子采用特殊的類似鼠籠式設計，可以同時耦合兩個定子繞組。電機的速度由兩個定子繞組的驅動頻率共同決定。

一般而言，一組定子繞組連接固定頻率和電壓的電網，稱為功率繞組；另一組定子繞組連接變頻變壓的變流器，稱為控制繞組。或者說，考慮到功率繞組是固定頻率，轉子速度最終由控制繞組的頻率決定。

現有的技術已經解決了無刷級聯雙饋電機的設計和制造，但是針對無刷級聯雙饋電機的控制系統的設計一直沒有得到解決，因此無刷級聯雙饋電機一直因為其控制穩定性上問題，沒有被投入實際應用。本專利描述了一套全新的無刷雙饋風力發電機控制系統，該控制系統基于矢量控制技術，不僅解決了無刷雙饋電機的穩定性問題，而且也實現了典型風力發電機的全部重要功能。

發明內容：

本發明的目的是：提供一種針對無刷級聯雙饋電機的變頻變壓調速方法，能在速度或者功率的控制之間切換，并且同時控制功率繞組端的無功功率，從而達到電機的穩定控制。此控制方法適合應用于風力發電系統或者電機拖動系統。

為達到上述目的，本發明的構思是：

此發明采用基于功率繞組磁鏈坐標的矢量控制系統，所有的控制變量，包括兩個定子繞組的電流、電壓和磁鏈都變換到此坐標系上。采用解耦的雙環控制策略。第一個控制環稱作有功控制環，通過一個比例積分環節(PI)控制q方向的控制繞組電壓，反饋可以控制系統的總有功功率(功率控制模式)或者電機的轉速(速度控制模式)，兩個模式可以視具體應用要求切換。另一個環控制功率繞組的無功功率，稱作無功控制環，通過一個比例積分環節(PI)控制d方向的控制繞組電壓。

根據上述的發明構思，本發明采用下述措施和技術方案：

本發明所有的運算基于對于功率繞組和控制繞組的三相電壓和電流的采集，通過轉子位置和功率繞組的磁鏈位置變換成為基于功率繞組磁鏈的向量。所有運算基于向量d和q的兩軸分解，控制繞組的d電壓控制無功環，控制繞組的的q電壓控制無功環。最后對控制繞組的d和q的電壓進行反變換得到三相電壓的參考值，送入脈寬調制(PWM)控制器發出PWM信號來驅動變流器。

本發明采用一個磁鏈觀察器來觀測功率繞組的磁鏈，最終確定控制系統的坐標系。磁鏈觀測器需要功率繞組的電壓和電流信息，同時需要定子繞組的電阻值。這個磁鏈觀測器的精確度決定了整個主回路的精確度。

本發明采用一個增量型光電編碼器來采集轉子的位置信息。通過位置信息可以計算出電機的轉子軸速度，轉子軸速度是速度控制模式下有功控制環的反饋信息。同時，為了將控制繞組的電壓和電流變換到功率繞組磁鏈坐標系，需要通過光電編碼器提供的轉子位置和磁鏈觀察器提供的磁鏈信息。

本發明采用了一個功率觀測器，可以估計系統的總有功功率以及功率繞組的無功功率。總有功功率是功率控制模式下有功控制環的反饋輸入信息，功率繞組的無功功率是無功控制環的反饋輸入信息。

本發明采用了一個穩定監測系統，通過檢測速度和控制繞組的電壓頻率來考察電機是否穩定運行，如果電機運行不穩定，整個控制系統關閉以保證系統的安全。

本發明的PWM控制器中加入死區時間，保證變流器的可靠運行。

本發明提出的矢量控制是一個全新的技術，實現對于無刷級聯雙饋電機的矢量控制，可以獨立控制功率(或者速度)以及無功功率。采用本發明的無刷級聯雙饋電機相比傳統雙饋感應電機具有更高的可靠性和更低的維護成本。

附圖說明

圖1是本發明的無刷級聯雙饋電機的原理圖

圖2是坐標軸變換

圖3是控制環

圖4是磁鏈觀察器

圖5是功率觀測器

圖6是穩定監測系統

具體實施方式

本無刷級聯雙饋電機的矢量控制方法和原理簡述如下：