一种绕线式异步电动机转子串虚拟电阻无极调速控制方法

技术领域

本发明涉及绕线式异步电机控制方法技术领域，尤其是涉及一种绕线式异步电动机转子串虚拟电阻无极调速控制方法。

背景技术

绕线式异步电动机在起重机中应用非常广泛，该电机能很好的限制启动电流，具有较高的启动转矩，最常用的电机控制调速方式是转子回路串电阻，如图2所示，绕线式异步电机三相转子回路中分别串入同样大小的电阻，接触器闭合改变电阻值即可改变电机的速度，这是绕线式异步电机最简单的速度控制方案之一。其机械特性的特点是：转子串不同大小的电阻时，机械特性的理想空载转速(即同步转速)不变，电动机的最大转矩也不变，但特性曲线运行段的机械特性硬度随阻值的增大而变软。因此，在一定的负载转矩下，可以获得不同的稳定运行速度。

由于这种调速方法可以在低启动电流下提供高启动转矩，功率因数能得到改善，而且方法简单，易于实现，初期投资少，因此广泛地应用于象起重机这种带有间隙性负载且需要高启动转矩的生产器械，该方法也避免了大启动电流对电网的严重干扰。这种调速方法是通过增大异步电机转子回路的电阻值来降低电机转速，电机的转速越低，其转差功率也越大，而这些转差功率又全部被转化为热能消耗掉了。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种在满足重载启动和减速要求下实现无极调速的绕线式异步电动机转子串虚拟电阻无极调速控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种绕线式异步电动机转子串虚拟电阻无极调速控制方法，包括以下步骤：

获取绕线式异步电动机相关参数，基于绕线式异步电动机机械特性，近似计算转子串虚拟电阻阻值；

基于绕线式异步电动机的运动方程，计算虚拟电阻投切的时间；

基于所述虚拟电阻阻值和虚拟电阻投切的时间，控制转子侧变换器实现转子串虚拟电阻调速；

采用晶闸管交流调压，控制定子绕组电压；

基于所述控制转子串虚拟电阻调速和和控制定子绕组电压，实现转子串虚拟电阻无极调速控制。

进一步地，所述绕线式异步电动机机械特性的实用表达式为：

式中，T对应于s的电磁转矩，s对应于某一转速时的转差率，s

进一步地，所述近似计算转子串虚拟电阻阻值的具体过程包括：

基于所述绕线式异步电动机机械特性，构建启动转矩比的表达式；

求解所述启动转矩比的表达式获得启动转矩比；

校验切换转矩是否大于设定比例的最大启动转矩，若是，则根据获得启动转矩比计算转子串入电阻总和，进一步求出各级转子串虚拟电阻阻值，若否，则修改最大启动转矩或投切极数，重新求解启动转矩比，再根据重新求解的启动转矩比计算转子串入电阻总和，进一步求出各级转子串虚拟电阻阻值。

进一步地，所述启动转矩比的表达式为：

式中，α为启动转矩比，k是投切电阻级数，s

进一步地，所述计算虚拟电阻投切的时间的具体步骤包括：

基于所述绕线式异步电动机的运动方程，计算电动机加减速过程的时间；

基于所述加减速过程的时间，求解虚拟电阻投切的时间。

进一步地，所述计算电动机加减速过程的时间的具体步骤包括：

考虑到n＝(1-s)n

其中，s对应于某一转速时的转差率，R

进一步地，所述绕线式异步电动机的运动方程为：

式中，T为电磁转矩，T

进一步地，所述控制转子串虚拟电阻调速的具体步骤包括：

获取三相电流并转换为αβ坐标系下的两个转子电流分量；

将所述转子电流分量与所述虚拟电阻阻值相乘，得到转子电压分量；

基于所述转子电压分量，经SVPWM调制器处理得到转子侧变换器全控器件的开关信号；

基于所述开关信号，调节电阻串虚拟电阻的大小，实现转子串虚拟电阻调速控制，并将转差功率向电网侧回馈。

进一步地，绕线式异步电动机加速或减速启动时，所述虚拟电阻的函数式为：

式中，R

进一步地，所述控制定子绕组电压的具体步骤包括：

采用速度闭环调压调速控制方法，将速度给定值与速度反馈值进行比较，得到误差信号；

将所述误差信号输入至速度调节器中，得到控制电压；

将所述控制电压输入至触发装置中，输出控制信号，控制晶闸管的导通角；

基于所述晶闸管的导通角，调节加在定子绕组上的电压大小，实现调压控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在转子串虚拟电阻调速中，根据电动机机械特性计算出虚拟电阻投切的时间，使转子串虚拟电阻的切除、接入时机更为精准，并通过转子侧变换器控制算法实现转子串虚拟电阻调速，满足串虚拟电阻的加速和减速过程；在定子侧对定子绕组调压控制，使得串虚拟电阻的加速和减速过程更为平滑，从而实现在满足电机重载启动和减速的要求时实现无级平滑调速。

(2)本发明通过绕线式异步电动机转子串虚拟电阻调速与定子调压同步控制，可实现无级调速，让电机的控制性能和机械特性得到最大优化和最佳发挥。

(3)本发明在转子串虚拟电阻调速中，采用转子侧逆变器和网侧整流器，使得转差功率能够回馈电网，避免了能量损耗，达到节能的效果。

(4)与传统绕线式异步电动机转子串电阻相比，本发明取代了实际电阻，节省了设备成本和占地空间。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为传统绕线式异步电动机转子串电阻调速控制系统框图；

图3为传统绕线式异步电动机转子串电阻调速机械特性曲线图；

图4为本发明绕线式异步电动机转子串虚拟电阻调速控制系统框图；

图5为转子侧逆变器控制系统框图；

图6为定子侧晶闸管闭环调压调速控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种绕线式异步电动机转子串虚拟电阻无极调速控制方法，该方法能够减小电机启动电流，并满足起重机这类器械带负载需启动力矩大的要求，同时也避免了转差功率的损耗。转子串虚拟电阻调速控制方式与定子调压控制相配合，在传统的串电阻分级启动和减速的基础上，能同时具有定子交流调压调速的控制功能，使得电机启动和减速过程平滑，根据电机机械特性计算出虚拟电阻投切的时间，让电机的控制性能和机械特性得到最大优化和最佳发挥。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤一：获取绕线式异步电动机相关数据，基于绕线式异步电动机机械特性，近似计算转子串虚拟电阻阻值。

异步电动机机械特性的实用表达式为：

式中，s对应于某一转速时的转差率，T对应于s的电磁转矩，s

由上式知，异步电动机的机械特性是非线性的，但分级调速时，工作点全部在机械特性的工作段，如图3所示，忽略式分母中的s

式中，T

令T

转子串入各级电阻总和为：

转子每相串入各级电阻大小为：

当T＝T

在固有机械特性上，根据T∝s，则有：

将上述式子代入可得：

即

步骤二：基于绕线式异步电动机的运动方程，计算虚拟电阻投切的时间。

调速过程中要准确地模拟切除各级电阻，必须整定出虚拟电阻投切的时间。由电机的运动方程：

这里T为电磁转矩，T

已知考虑到n＝(1-s)n

其中，n

通过上式可分别计算出电动机从s

步骤三：基于所述虚拟电阻阻值和虚拟电阻投切的时间，控制转子侧变换实现转子串虚拟电阻调速控制。

如图4所示，转子侧逆变器和网侧整流器组合成双PWM变换器，该变换器两端分别连接绕线式异步电动机和电网，起着变流和能量传输的作用。

首先对转子侧变换器控制算法的设计。转子侧逆变器主要控制目标为：①通过对绕线式异步电动机转子侧变换器的控制，保证转子相电压和相电流比值恒定变化；②转差功率能够向电网侧PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)变换器流动，实现能量回馈电网，保证系统并网运行。

为了实现上述目标，转子三相电流i

图5为转子侧逆变器控制系统框图。为了实现电机分级加速和减速的效果，转子电流两相静止电流i

式中，R

令减速初始时刻为0，当绕线式异步电动机减速时，R

式中，R

通过控制转子侧变换器，采用恒电压/电流比变化的控制策略，实现绕线式异步电动机串虚拟电阻分级加速和减速，并且能够将转差功率回馈电网。

步骤四：采用晶闸管交流调压，控制定子绕组电压。

如图6所示，定子侧采用的交流调压器由晶闸管等器件组成，它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间，通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。为了实现无级平滑调速，闭环调压调速系统中给定的转速n*应该满足平滑加速、匀速和平滑减速三种电机运行状态。本实施例采用的是速度闭环调压调速控制方法，其工作原理是：将速度给定值n*与测试发电机(TG)得到的速度反馈值n进行比较，比较后经速度调节器(ASR)得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置(GT)，由触发装置输出来控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节加在定子绕组电压的大小。

步骤五、基于所述控制转子串虚拟电阻调速和和控制定子绕组电压，实现转子串虚拟电阻无极调速控制。

绕线式异步电动机转子串虚拟电阻调速与定子调压同步控制，可实现无级调速，让电机的控制性能和机械特性得到最大优化和最佳发挥。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。