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永磁同步电动机能量回馈机理分析与研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:670

   摘要:为有效网收永磁同步电动机制动运行状态产生的再生能量,实现电机节能运行,在分析三相半桥结构PMSM驱动系统能量再生三种状态的基础上,提出采用三相PWM整流器作为整流前端,当电机处于能量再生状态控制PWM整流器以馈电方式处理再生能量.实现能量快速双向流动;设计并实现了基于DSP的电压环控制系统。实验结果表明,该方案将再生能量回馈电网,并可有效抑制母线电压波动,具有优越的动态响应性能。

O引  言

   永磁同步电动机(以下简称PMSM)因其效率高、运行可靠、调速性能好等特点在现代工业生产中得到了广泛应用。而在实际运行中,当负载是位能负载或者大惯性负载时,电机制动运行将会产生大量再生能量,这部分能量将向直流母线侧流动。由于受到前端二极管整流桥的阻断,能量将无法继续向网侧流动,从而聚集在母线电容上并产生泵升电压,若不将这部分能量及时释放,过高的电压将损坏滤波电容和功率模块。因而必须对再生能量进行研

究和处理。

   本文详细分析了永磁同步电动机变频调速系统能量再生机理,将其能量再生分为三种模式:开关模式能量再生;Boost模式能量再生;反电势高于母线电压能量再生。论文给出能量再生的必要条件,并对其动态过程进行深入分析。

   传统变频调速系统中为使电机制动运行,通常采用能耗方式处理再生能量。最为普遍的能耗制动方式是在母线上并接一制动电阻,当母线电压高于某一值开通制动电阻回路,以电阻发热形式耗散能量,从而达到降低母线电压的目的。但由于该方式所采用电阻阻值固定,母线电压不能得到很好地控制,再生能量也没有得到利用,且只适用于中小功率交流伺服场合。虽然利用适当的控制算法,也可以利用绕组本身电阻发热实现制动运行,但再生能量同样没有得到利用,电机寿命也将大大缩短。对于其它能耗制动方式,如绕组短接制动法也存在类似问题。针对能耗制动的缺点,本文提出采用可控PWM整流器作为整流前端,以能量回馈方式处理再生能量以达到电机四象限运行的目的。

1永磁同步电动机的能量再生机理分析

   对于有源电压型逆变永磁同步电动机驱动系统,多采用如图1所示的交一直一交主电路结构。PMSM制动运行时,电机处于能量再生状态,即负载中的能量通过电机向驱动器的直流侧传递。由于前端采用二极管整流,当母线电压高于Um(输入线电压的峰值)电网不能再向滤波电容充电,这时若母线产生泵升电压则能量一定是由电机负载所提供。

 图l传统永磁同步电动机变频调速系统

   在三相半桥PMSM驱动系统中,能量再生发生在以下三种情况:(1)由于开关器件死区时间引起的能量再生;(2)反电势高于端电压小于母线电压的Boost方式能量再生;(3)电机反电势高于母线电压的能量再生。下面对这三种情况分别加以讨论。

1 1开关模式能量再生

假设电机处于图2a所示的电动状态且驱动器开关为101(T1、T4、T开通,T2、T3、T关断)组合状态,当其向100状态切换的过程中,六个功率开关管由于控制信号的死区而都处于关闭状态。由于电感中的电流不能突变.因此存储在电感中的能量必须通过与T2、T3、T6反向并联的续流二极管D2、D3、D6继续流动并给母线电容充电,导致母线电压升高。电机中的电流流动如图2所示。该情况下产生的再生能量和电机电阻R及电感L有关。如果电容C固定,那么电感越大电阻越小则回馈的能量越多。但由于死区时间很短,该续流情况通常不会使母线电压明显升高。

  

      (a)                  (b)

      图2 PMSM运行在开关模式的切换过程中

1.2 Boost方式能量再生

B00st方式能量再生是指电机反电势低于母线电压情况下发生的能量再生。式(1)是PMSM在d—q坐标系下的电压方程。由公式可知,当交、直轴电感压降和反电势之和超过逆变电压,即 一ωeΨq和 +ωeΨd超过逆变电压ud、uq电流将改变方向,再生能量向直流侧流动。

  (1)

   从电机一相来看,该状态电路工作在Boost模式,类似于Boost变换器。在每个开关周期,电机电感首先存储能量(线圈切割磁力线获得的能量),再将能量通过续流二极管释放并存储到母线滤波电容中,此时该相电感压降和反电势之和高于母线电压。该状态下电机相当于一个发电机,驱动器给电机以制动转矩。这种情况发生在电机运行到停止的各种制动状态。

   图3 A相电路的B00st工作状态

1.3电机反电势高于母线电压能量再生

   电机反电势高于母线电压能量再生是最常见也是损害性最大的一种情况。当外界负载拖拽电机,电机高于额定转速运行,并使电机反电势高于母线电压,电流将通过续流二极管向电容充电,电机处于发电机状态,使母线电压持续升高。这种情况通常发生在位能负载释放其势能的时候,如抽油机向下运动和电力机车下坡加速。由于电流流动产生了制动转矩,驱动器本身起到了制动作用。

2再生能量和泵升电压计算

   由上节的内容可知,在PMSM能量再生的三种情况中,开关模式能量再生由于死区时间很短,再生能量对系统影响不大,可以忽略。对于第二种和第三种能量再生模式,即PMSM在减速、制动或“发电”过程中,电机持续向直流母线回馈能量。在传统的变频调速控制系统中,由于受到二极管整流器的隔断,这些能量不能向电网侧传递,而将全部存储在直流侧母线电容上,如果再生能量足够大,就会造成母线上的电压出现泵升。

2.1再生能量计算

   对于一个受位能负载作用的伺服系统,其再生能量包括两个部分,第一部分是位能负载及转子所构成的等效负载所具有的能量,第二部分是外界施加在电机或负载上的驱动转矩所产生的再生能量。下面对这两部分能量进行具体分析。

不妨假设负载是一个旋转体,电机转子及所带负载折算到转子轴上转动惯量总和为J,且受到一个转矩恒为T的负载作用,其转速为n,角速度为Ω,则电机和负载所具有的总动能为: (2)

驱动转矩和位能负载在时间t内释放的能量:  (3)

电机定子绕组电感存储的能量:     (4)

电机绕组消耗的能量:         (5)

设负载机械摩擦损耗为Wmech,机械损耗功率为Pmech,其它损耗设为W0。当电机制动位能负载到停止过程中,理论上可以回馈的全部能量可以表示为:W=Wk+W1一WR一W0+Wp一Wech   (6)设整个制动过程回馈能量全部存储在母线滤波电容中,则: (7)直流母线电压的变化: (8)

   从上式中可以看出,在等式的两侧,如果对再生的能量不进行处理,能量就会积累在储能滤波电容中,造成电压的泵升。

 令:Wb=Wk+Windu一WR一W0表示负载停止过程中的再生能量,并且令:WL=Wp一Wnech表示位能负载在作用时间内释放出来的能量,则有:W=Wb+WL  (9) 从而可以求出电机再生发电功率: (10)其中:TΩ—Pmec为位能负载产生的再生功率,其大小主要由负载加在电机上的转矩大小决定。 为电机制动停止过程中产生的再生功率,t为制动时间。

   假设负载为大惯性负载,在减速制动过程中,给电机的速度指令为零,这时PWM—VSI加载在PMSM的端电压为零;但是由于电机及负载的惯性,电机将继续运行并产生反电势,同时在绕组中产生电流,该电流经IGBT的反并联续流二极管,将能量回馈给直流侧。

   在这种情况中,回馈能量的大小跟控制情况有关,当给定电机停止指令时,回馈能量最大。理想情况下,电流回馈的过程一直持续到电机电流减小为零为止,即全部动能转换成电能回馈给直流侧。

   前面已经推导,制动过程所用的时间为t,制动过程总的能量为Wb制动过程中再生功率为Pb,在这里再将公式展开,则有:  (11)

   由上式可知,制动时间越短,则制动回馈的功率,越大,所需的制动转矩也越大。

3能量回馈系统设计

3.1总体方案设计

   电机能量再生状态产生的能量回馈到直流母线,将造成母线电压的持续上升。由式(8)可知,增大母线电容可以一定程度上减小电压波动,但由于母线电容不可能无限增大,且由于前面所述的持续性能量再生,电压泵升将不可避免。传统的能耗制动方式是以电阻发热形式消耗掉能量,再生能量没有得到有效利用。若能将再生能量回收,则

不仅能实现系统的节能,还可有效地控制母线电压的泵升。为此,本文设计了一种PWM整流前端(PWM—VSR),利用其能量可双向流动的特点,以能量回馈方式处理再生能量,实现电机四象限运行。

 图4带能量回馈PMSM控制系统框图

该方案采用能量可双向流动的电压源PWM整流前端(PWM—VSR)代替二极管整流桥,整个系统的基本框图如图4所示。电路主要由PWM整流器(滤波电感和IGBT功率模块组成),直流侧滤波电容,逆变驱动功率模块以及相关的同步电路,电压电流采样电路,控制和驱动电路组成。控制器采用高性能DSP作为控制核心。PWM整流器采用外环电压环、内环电流环的双闭环控制,控制框图如图5所示。当电机电动运行时,PWM整流器工作在整流状态,并进行整功率因数控制,能量从电网侧传递到直流侧;当电机工作在制动运行状态,再生能量的回灌会使母线电压高于正常工作值。通过对母线电压的采样和电压环的作用,PWM整流器立刻切换到逆变回馈状态,控制能量由直流侧向电网侧传递。PWM整流器的加入,使得母线电压受到实时控制。

 图5 PWM—VSR控制系统框图

   电机驱动侧控制策略采用转子磁场定向矢量控制,详见文献[5],本文不再详述。

3.2 PWM整流器电压环设计

   在高速制动和位能负载迅速释放其能量的情况下,泵升电压将在很短的时间内建立,因此设计高性能响应迅速的电压环成为控制系统设计的关键。假设电网电压和电流三相对称且平衡,并考虑到电压采样的滞后性,得到PWM—VSR电压环控制结构图

如图6所示。

   图6  PWM—VSR电压环控制框图

 若不考虑扰动的影响,且取m=1(m≤l为调制比),并令两小惯性时间参数T=Tsv+Tcs,得到系统的开环传递函数为: (12)

   在系统参数整定时,按典型Ⅱ型系统设计电压调节器,得到电压环中频带宽: (13)

   根据典型Ⅱ型系统控制器的参数整定关系,综合考虑电压环的抗干扰性能和跟随性能,工程上一般取hv=5,得到电压环PI调节器参数:  (14)

   电压环参数的合理选取,保证了控制系统的快速响应及良好的动静态性能。

4实验结果及分析

本文对图4所示的系统方案进行了实验验证。实验采用DSP2812作为控制核心,通过JTAG口与PC机相连进行实时控制,并同轴连接一直流电机。实验的设计方案为:控制PWM整流前端使母线电压保持在200 V,永磁同步电动机转速指令为400 r/min;待电机速度达到指定值后,并人直流电机并拖动PMSM使其以480 r/min的速度转动。由于速度指令依然保持400 r/min,PMSM进入制动能量再生状态。实验参数如表l所示。

表1 实验参数

实验结果如图7、图8所示。图7为母线电压波形,可以看到电机能量回灌到母线后,PWM整流器切换到回馈状态将再生能量回馈电网,电压迅速回复到正常工作电压200 V,电压的泵升幅值控制在母线电压的10%以内。图8为PWM整流器工作在逆变回馈状态时网侧电压和电流波形,电压和电流相位约差180°,功率因数接近一1,能量成功回馈到电网侧。

            

图7母线电压实验波形             图8 回馈状态网侧电压和电流实验波形

5结语

   论文分析了PMSM能量再生的三种状态并计算了再生能量的大小和其对母线电压的影响,进而提出采用三相PWM整流器代替二极管整流桥作为整流前端,并利用DSP作为控制核心高精度控制,以实现回馈制动。高性能的电压环控制系统的设计,提高了PWM整流器的动态性能。实验结果表明,当电机制动运行状态时三相PWM整流器能以接近一1的高功率因数将再生能量回馈电网侧,并可将母线电压的泵升幅值控制在10%以内。

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