一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法

一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于交流电机传动控制技术领域，涉及一种三级电励磁式同步电机动态起 动控制方法。
【背景技术】
[0002] 在航空大功率交流电源系统中，三级电励磁式同步电机（原理框图见图1)作为发 电机已得到广泛应用。在起动/发电一体化系统中，使用该电机依次运行在电动和发电状 态，能减少一套专用的起动机构，可有效降低航空电源系统的复杂程度、减轻重量、提高可 靠性。
[0003]目前，国内已开展的针对三级电励磁式同步电机起动控制方法的相关研宄工作， 大多基于传统的矢量控制方法和直接转矩控制方法，且仿真研宄居多，部分实验采用普通 的电励磁同步电机进行验证。目前有一种航空三级电励磁式同步电机起动控制方法如下： 通过直接控制电压矢量的模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方式确定控制器输出电 压矢量，再以空间矢量调制（SpaceVectorModulation,SVM)的方式发出三相全桥逆变器 的开关信号，控制逆变器驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机起动功能；经采用一台 三级电励磁式同步电机和MAGTR0L公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机的起 动实验，实验结果表明该控制方法能使该电机完成航空发动机的起动。
[0004] 飞机在地面起动过程中，由于某种原因导致发动机点火失败的情况是不可避免 的。发动机点火失败后，发动机油管中会存留大量的高温航空煤油，若不及时将油管中的热 油甩出，很可能会因煤油自燃损坏发动机，更严重者会发生爆炸，造成重大事故。由于惯性 和摩擦阻力的综合作用，发动机转速不会突降为零，与其同轴相连的三级电励磁式同步电 机转速也同样变化，出于对发动机安全性的考虑，在转速降为零之前就需要将电机再次起 动。这种电机带转速情况下的起动称为电机动态起动。在后期模拟航空发动机动态起动实 验发现，现有控制方法尚有不足之处，无法完成航空发动机的动态起动。

【发明内容】

[0005] 要解决的技术问题
[0006] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三级电励磁式同步电机动态起动 控制方法。
[0007] 技术方案
[0008] -种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，其特征在于步骤如下：
[0009] 根据当前电机转速确定为静止起动状态时：
[0010] 步骤al:依据电机转速参考值和电机转速反馈值Q进行速度环限幅PI调节， 得到当前调制电压矢量值us* ;
[0011] 步骤a2 :计算ABC三相坐标系下定子电流矢量is=iA+aiB+a2ic，其中：iripiA 主发电机定子三相电流
f复数运算符号，其作用是使一个向量正转 120。；
[0012] 步骤a3 :将ABC二相坐标系变换未两相静止坐标系a |3〇,得在a |3〇坐标系下沿 a轴的分I
以及沿0轴的分量
定子三相电流在dqO 坐标系下沿d、q轴的分量为id、iq;
[0013] 将两相静止坐标系a 0〇变换到两相旋转坐标系dqO,得L =Lcosp + &sinp，
，式中P为a轴与d轴的夹角；
[0014] 步骤a4:计算定子电流矢量:^与主发电机转子d轴的夹角0 is=tarTHi/O;依 据参考值0is#和定子电流矢量込与主发电机转子d轴的夹角0 行限幅PI调节，该PI 输出值为当前调制电压矢量us*与主发电机转子d轴的夹角0 us* ;
[0015] 根据当前电机转速确定为动态起动状态时：
[0016] 步骤bl :根据当前电机转速的大小计算速度调节器积分初值，依据电机转速参考 值和电机转速反馈值D进行速度限幅PI调节； _7]步骤b2:根据主发电机定子电流矢量参考值i/和由式is=iA+aiB+a2i^模运算 得到的当前电流矢量值is，通过电流调节器进行电流限幅PI调节；
[0018] 步骤b3:依据速度限幅PI调节输出值和电流限幅PI调节输出值，经求和运算得 到当前调制电压矢量值us* ;
[0019] 步骤b4 :起动初始的3s内，给当前调制电压矢量us*与主发电机转子d轴的夹角 9us*赋初值90°，不进行PI调节；3s后，依据定子电流矢量、与主发电机转子d轴夹角参 考值9is#和由当前^与^求出的9 行限幅PI调节，其PI输出值即为当前调制电压 矢量us*与主发电机转子d轴的夹角0 us* ;
[0020] 步骤b5:根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量us*进行矢量合成，得到逆变器所 需要的三相开关控制信号。
[0021] 有益效果
[0022] 本发明提出的一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，通过对电机起动条 件的判断，采取相对应的控制策略，实现三级电励磁式同步电机起动转速在〇~1500rpm范 围内的动态起动功能。
[0023] 本发明所述的三级电励磁同步电机动态起动控制方法具有以下优点：1)实现了 电机的带转速起动功能，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导 出给航空发动机带来的危害；2)对主发电机定子电流进行限幅PI调节，可有效减少因主发 电流过大而烧坏器件情况的发生，提高了系统的安全性。
【附图说明】
[0024] 图1 :三级电励磁式同步电机系统结构图
[0025] 图2:静止起动系统控制原理图
[0026] 图3:动态起动系统控制原理图（不对角0is进行PI调节）
[0027] 图4:动态起动系统控制原理图（对角0is进行PI调节）
[0028] 图5 :坐标系变换关系图
[0029] 图6 :空间电压矢量us*合成图
[0030] 图7:起动转速为1000 (r/min)的动态起动速度转矩图
[0031] 图8:连续动态起动多次的速度转矩图
【具体实施方式】
[0032] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0033] 本系统采用旋转变压器来检测电机转速，构成三级电励磁式同步电机起动控制系 统。为验证本发明方法，采用MAGTR0L公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机 负载，利用一台三级电励磁式同步电机搭建了验证平台。
[0034] 本发明解决的技术问题含有以下步骤：
[0035] (1)获取当前电机转速，判断是静止起动还是动态起动。
[0036]a)静止起动：
[0037] ①依据电机转速参考值fT和电机转速反馈值D进行速度环限幅PI调节，得到 当前调制电压矢量值us*;
[0038] ②采集主发电机定子三相电流iA、iB、ic，在三相坐标系（ABC)下定子电 流矢量is
可表示为乙=iA+aiB+a2i。，式中： 复数运算符号，其作用是使一个向 量正转120°;
[0039] ③通过三相坐标系（ABC)到两相静止坐标系（a00)的变换，可得在a00坐标 系下沿a轴的分』
；?以及沿0轴的分量/;定子三相电 流在dqO坐标系下沿d、q轴的分量为id、iq，通过两相静止坐标系（a
00)到两相旋转坐标 系（dqO)的变换，可
式中供为a轴与d轴 的夹角；
[0040] ④由id、iq可得定子电流矢量i3与主发电机转子d轴的夹角0is，即0is = tan-Hi/id);依据参考值0is*和定子电流矢量込与主发电机转子d轴的夹角0 is进行限 幅PI调节，该PI输出值即为当前调制电压矢量us*与主发电机转子d轴的夹角0 us*。
[0041]b)动态起动：
[0042] ①根据当前电机转速的大小计算速度调节器积分初值，依据电机转速参考值 和电机转速反馈值D进行速度限幅PI调节；
[0043] ②根据主发电机定子电流矢量参考值i/和由式is=iA+aiB+a2i^模运算得到的 当前电流矢量值is，通过电流调节器进行电流限幅PI调节；
[0044] ③依据以上两步计算出的速度限幅PI调节输出值和电流限幅PI调节输出值，经 求和运算得到当前调制电压矢量值us*;
[0045]④起动初始的3s内，给当前调制电压矢量us*与主发电机转子d轴的夹角0 us*赋 一固定初值90°，不进行PI调节；3s后，依据定子电流矢量、与主发电机转子d轴夹角参 考值9is#和由当前^与^求出的9Ji行限幅PI调节，其PI输出值即为当前调制电压 矢量us*与主发电机转子d轴的夹角0US*。
[0046] (2)根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量us*进行矢量合成，得到逆变器所需要 的三相开关控制信号。
[0047] 实施例包含的具体参数步骤如下：
[0048] (1)给系统施加额定工作电压。
[0049] (2)设定目标转速为2500 (r/min)，动态起动转速最大值为1500 (r/min)。目标转 速为2500 (r/min)确保电机停止起动到再次起动的时间间隔能使继电器完成一个周期的 完全断开与吸合，1500 (r/min)是在保证系统硬件安全的前提下本控制方法允许的最大起 动转速。
[0050] (3)设定速度？1调节器的调节参数分别为1(1)=4，1^=3，限幅（调制度）范围为 (〇，1);设定定子电流矢量、与主发电机转子d轴的夹角0is调节器的调节参数分别为Kp =3，1=4,限幅范围为（0,Jr);设定定子电流矢量is调节器的调节参数分别为Kp= 200， 1= 150,限幅（调制度）范围为（_1，0)。
[0051] (4)给出电机起动信号，电压矢量us*通过逆变器施加到电机上，电机起动运行； 此次起动为静止起动，系统运行原理如图2所示。
[0052] (5)在电机转速达到2500 (r/min)时，给出电机停止起动信号，电机停止起动，在 本身惯性和摩擦阻力的综合作用下减速运行；
[0053] (6)监测电机转速，在电机转速降为零之前，再次给出电机起动信号，电机起动运 行，此次起动为动态起动，系统运行原理图依次如图3、图4所示。
[0054] (7)起动转速为1000 (r/min)的电机动态起动速度转矩图如图7所示；重复步骤 (4)、（5)，在步骤（6)中，连续多次对电机进行动态起动，对应电机动态起动速度转矩图如 图8所示。
【主权项】
1. 一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，其特征在于步骤如下： 根据当前电机转速确定为静止起动状态时： 步骤al :依据电机转速参考值?Τ和电机转速反馈值Ω进行速度环限幅PI调节，得到 当前调制电压矢量值us* ; 步骤a2 :计算ABC三相坐标系下定子电流矢量is= i A+aiB+a2ic，其中：iA、i B、ic为主 发电机定子三相电流，为复数运算符号，其作用是使一个向量正转 120。； 步骤a3:将ABC二相坐标系变换未两相静止坐标系α β〇,得在α β〇坐标系下沿α 轴的分量乙=乙-以及沿β轴的分量& = f;定子三相电流在dqO坐 标系下沿d、q轴的分量为id、iq; 将两相静止坐标系α β〇变换到两相旋转坐标系dqO,得^sLcosp + bsinp， & = -t sin妒+ & cosp，式中沪为α轴与d轴的夹角； 步骤a4:计算定子电流矢量:^与主发电机转子d轴的夹角Θ is=tanH(i/id);依据 参考值Θ J和定子电流矢量込与主发电机转子d轴的夹角Θ is进行限幅PI调节，该PI输 出值为当前调制电压矢量us*与主发电机转子d轴的夹角Θ us* ; 根据当前电机转速确定为动态起动状态时： 步骤bl :根据当前电机转速的大小计算速度调节器积分初值，依据电机转速参考值?Τ 和电机转速反馈值Ω进行速度限幅PI调节； 步骤b2 :根据主发电机定子电流矢量参考值i/和由式i s= i A+aiB+a2i。求模运算得到 的当前电流矢量值is，通过电流调节器进行电流限幅PI调节； 步骤b3 :依据速度限幅PI调节输出值和电流限幅PI调节输出值，经求和运算得到当 前调制电压矢量值us* ; 步骤b4 :起动初始的3s内，给当前调制电压矢量us*与主发电机转子d轴的夹角Θ us* 赋初值90°，不进行PI调节；3s后，依据定子电流矢量^与主发电机转子d轴夹角参考值 Θ J和由当前id与i,求出的Θ is进行限幅PI调节，其PI输出值即为当前调制电压矢量 us*与主发电机转子d轴的夹角0 us*; 步骤b5 :根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量us*进行矢量合成，得到逆变器所需要 的三相开关控制信号。
【专利摘要】本发明涉及一种三级电励磁式同步电机动态起动控制方法，通过对电机起动条件的判断，采取相对应的控制策略，实现三级电励磁式同步电机起动转速在0～1500rpm范围内的动态起动功能。本发明所述的三级电励磁同步电机动态起动控制方法具有以下优点：1)实现了电机的带转速起动功能，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导出给航空发动机带来的危害；2)对主发电机定子电流进行限幅PI调节，可有效减少因主发电流过大而烧坏器件情况的发生，提高了系统的安全性。
【IPC分类】H02P21/00
【公开号】CN104883107
【申请号】CN201510208694
【发明人】孟涛, 刘卫国, 彭纪昌, 王锐, 周卫华, 姜宇
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月28日