[发明专利]一种驱动势能性负载的异步电机矢量控制装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及异步电机控制的技术领域，尤其涉及一种驱动势能性负载的异步电机矢量控制装置和方法。

背景技术

对于驱动势能性负载的异步电机矢量控制系统参见图1，在重力势能的拖动下往往工作在发电机状态，对于电网会产生频繁性的扰动，而现在电力计量收费是单方向的，电力公司不鼓励发电机性质的负载接入电网。同时，在低速区采用恒转矩调速，在高速区域选择弱磁调速是很多调速系统所必须采用的控制策略。工作在弱磁区域的异步电机系统在许多领域都有广泛的应用，如高速铁路的电气牵引、城市地铁、轻轨的电动车组、电动汽车、机床的主轴传动等。因此，对于发电机性质与弱磁调速的共性问题有必要进行深入研究。例如，对于游梁抽油机负载而言，属于大范围变动负载，同时带有大转动惯量的飞轮。在每一个工作行程中存在两个发电区域。当采用异步电机直接电网驱动时，存在反复的机电能量变换的过渡过程。由于油田的电网一般属于弱型电网，供电半径很大，线路阻抗也相应地较大。在能量反馈的过程中，电能的损耗也较大。为了减少无谓的能量形态转换过程，尽可能地使机械能以动能和势能的方式互相转换。采用适合抽油机的新型的异步电机矢量控制策略，该矢量控制的核心是当异步电机在正常的电动状态时，其控制策略为常规的转子磁场定向矢量控制模式；而当处于发电状态时，将异步电机的有功电流分量强迫设定为零，此时，没有反向的发电电流回馈电网。同时，将转速的给定和反馈值合并，异步电机自由升速，由于能量与转速的平方成正比，即有下列公式：

转速升高的绝对值并不大，但是可以吸收大量的抽油杆势能和飞轮的势能。

要实现这一控制策略的关键在于，当转速升高时，必须削弱异步电机的磁场，以削弱电机的反电势；否则将引起过强的无功电流引起系统振荡。因此，必须深入分析异步电机弱磁调速的矢量控制方法。本申请主要针对弱磁调速的最高转速问题和弱磁调速区域的最大转矩问题进行研究。对于异步电机的弱磁调速，目前采用的方法主要有以下几种方法：①传统的V/F控制，当电机的工作频率超过基频时，采用过载能力不变的恒功率调速，或者保持输出电压不变，在基频以上单纯的提高频率进行弱磁调速。②在弱磁区进行矢量控制时，将M轴的励磁电流在基频以上随着转速成反比变化。③在弱磁区进行最大弱磁转矩矢量控制方法。

发明内容

本发明提出一种驱动势能性负载的异步电机矢量控制装置和方法，系统势能的改变尽量由系统的动能增量来平衡，没有反向的发电电流回馈电网，减少了对于电网的功率扰动，并实现了节能的效果。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种驱动势能性负载的异步电机矢量控制方法，当异步电机在正常的电动状态时，控制策略为转子磁场定向矢量控制模式；当电动机被势能性负载拖动处于发电状态时，采用第一逻辑电路对电机的速度或者电流的数值进行判断，判断电机的机械角速度是否大于或者等于电机的同步角速度，如果满足判断条件，则输出1或高电平信号；同时，采用第二逻辑电路对电动机的有功电流分量进行判断，如果有功电流小于或者等于0，即电流反向流向电网，输出1或高电平信号，上述两个条件满足其中之一，判断电动机进入到发电机运行状态，根据速度的限制采取下列步骤：

步骤一：将异步电机的有功电流分量强迫设定为零，电机的电磁转矩等于零，系统势能的改变尽量由系统的动能增量来平衡，由系统的转动惯量实现飞轮储能，此时，没有反向的发电电流回馈电网，减少了对于电网的功率扰动；

步骤二：利用电流约束和电压约束条件作为核心的限制条件，具体表现形式为最大电流圆和最大电压椭圆，在调速区域的所有的运行状态都必须满足电流和电压的约束条件；

步骤三：当系统的转速预计超过限定值时，则系统回归正常的矢量控制模式，在检测到发电机进入发电区域时，由于有功电流与电磁转矩均为负值，此时势能性负载的势能的增量转化为系统的电能增量。

电压椭圆是一族倾斜椭圆的轨迹，在恒转矩区域其U_max/w是常数，以保持磁通不变，其中，U_max为最大电压，w为发电机的角速度；轨迹是一个椭圆半径为常数的定椭圆；

随着电机的频率超过基频电机的电压，电压椭圆不断收缩。

电机的电压椭圆收缩到一定数值时，电压椭圆和电流极限圆不存在交点；电流总是低于最大限幅值，约束条件由电压椭圆确定。