无换向器电机锁相并网控制策略

无换向器电机锁相并网控制策略

庄宗良 高强 徐殿国

(1. 哈尔滨工业大学电气工程系 哈尔滨 150001)

摘要 本文针对无换向器同步电机软起动装置的无冲击并网这一技术难点，进行了较为深入的分析和研究。提出了基于全数字锁相环的调频锁相方法和基于励磁电流闭环控制的调压策略。软件锁相算法采用检测电网和电机反电势过零点鉴相、锁相环与速度环、电流环协同调节的双模控制方式，锁相并网过程配合励磁控制。通过MATLAB仿真及平台实验均验证了该方案的可行性。在并网控制阶段末期，同步电机定子端电压与电网电压差值满足频率差小于0.25Hz，电压差小于电机额定电压的5%，完全满足工程中无冲击并网条件。

关键词：无换向器电机 数字锁相环 励磁控制 锁相并网 中图分类号：TM34

The Control Strategy of Phase-Locked and Grid Connection for

Commutatorless Motor

Zhuang Zongliang Gao Qiang Xu Dianguo

（1.Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract In order to solve the engineering difficulty of electrical-grid-connection technology for

Commutatorless Motor without impact, some analysis and researches have been done in depth in this paper. It gives digital Phase-Locked-Loop to adjust motor frequency and phase, and closed-loop excitation plot to regulate Back-EMF. Software PLL algorithm applies the zero-crossing-point phase-detector to compute the phase difference of grid and motor. It coordinates with speed-loop and electricity-loop, and coordinates with the excitation control. At the end of grid connection process, the difference of grid voltage and Back-EMF meets the following conditions: frequency difference is less than 0.25Hz; voltage difference is less than 5% EMF; phase difference approaches to zero. It is a very satisfactory engineering result to realize grid connection without impact.

Keywords: Commutatorless Motor, digital Phase-Locked-Loop, excitation control, phase locked and grid connection

1 引言

同步电动机的起动困难成为其应用的重大障碍，是产业发展的重大技术难题。目前，同步电动机的起动主要有异步起动等9种方法

[1]

率和电压, 从而使同步电动机加速至同步转速实现无扰并网。

当同步电机转速接近额定转速时，需要切断控制器投入并网。锁相并网是整个同步电机变频起动中的最后一步，并网前需满足电机反电势幅值、相位与电网电压一致，这两个条件没有得到满足时强行并网会在并网瞬间产生冲击电流，一般该冲击电流会远远超过电机的额定电流，甚至损坏电机转子绕组，扭断传动主轴。因此研究无换向器同步电机的无冲击并网

，目前应用最多的是液阻起动方式。随着大容

量晶闸管制造技术、控制技术发展，使得智能化的变频起动同步电动机成为可能，它从根本上克服了同步电动机传统起动方式的先天不足。变频起动方式是采用可控硅装置改变电源频率, 在电动机端施加一个从零到额定值的频

意义重大。

本文中同步电机的自控变频软启动采用速度环加电流环的双闭环控制，在同步电机起动末期，在双闭环的基础上加入锁相环，锁相环与双闭环协同工作，最终完成锁相并网任务。同步电机的整个起动及锁相并网过程均采用数字控制，以TMS320F2812型DSP作为主控制芯片。

2 无换向器电机锁相并网原理

为了避免同步电动机在并网时产生冲击电流损害电机设备，投入电网并联运行的同步电动机在并网时应当满足下列条件[2]：

(1) 电机的反电势相位应与电网电压一致；

(2) 电机的反电势频率应与电网相同； (3) 电机的反电势幅值应与电网电压幅值相同。

上述三个条件中，电动机反电势的相位与电网相位保持一致是至关重要的，第一个条件必须满足，其他两个条件允许稍有出入。其中电压幅差主要会引起无功功率的冲击，而相位差则会引起有功功率冲击损坏电机主轴，如果相位差别较大，对转子轴系的危害是非常大的，会引起非常大的主轴扭矩，最高可达到额定的7-10倍[3]，因此对相位控制的可靠性要求较高，并网的时间也要尽可能的短，大功率系统运行对于电网质量以及稳定性都会造成影响。同步电动机在运行至额定转速的90%-95%时可以进入到整步微调的阶段，首先锁定同步电动机的转速使其输出反电势频率达到50Hz，然后通过励磁调节使反电势幅值等于电网幅值，最后锁定反电势相位，当达到相位一致时切断起动接触器和进线接触器并合上并网接触器，电机投入电网完成并网。

同步电机反电势的有效值仅仅与转速和磁通有关，即 ：

EM=π36ωCeφ

由该式可以看到同步电动机的反电势有效值，也即是幅度，和电机转速成正比，和励磁电流成正比，对于并网来说，由于电机转速已

经接近额定转速，因此转速对幅值的影响不大，一般通过调节励磁电流的大小来调节反电势幅值大小。

对于电机输出频率调节，由于速度和输出频率成正比，所以只需调节电机速度稳定在额定转速，调速过程通过调节整流桥触发角α实现。对于相位的调节，改变转速就可以改变相位，相位控制也由改变整流桥触发角α控制。并网调速锁相的整体控制框图如图1所示。由该框图可知，在锁相过程中，分别需要检测电机反电势与电网电压的频率差、幅值差以及相位差来进行闭环反馈控制。

相位检测器相位+−相位检测器控制器+uu′整流角aau+α电机低通u′b频率频率ubc滤波器u′c检测器+−控制器频率检测器幅值+幅值励磁电检测器−控制器流控制幅值检测器

图1 并网调速锁相控制框图

Fig.1 The control diagram of phase locked and grid

connection

3 锁相环设计

自控变频的起动过程采用双闭环控制[4]，当电机速度稳定在额定转速后，电机反电势与电网的相位差是随机的，其中电网电压的相位是固定的，无法调节。因此只能通过调节反电势相位来改变相位差，当电机速度改变，反电势波形会相应左右移动，进而改变相位差。锁相思想为：通过鉴相器检测相位差，当相位差大于零时，反电势滞后于电网电压，此时需要微调电机速度，使电机速度大于1500rpm，使相位差减至零；当相位差小于零时，需要微调电机速度，使电机速度小于1500rpm，使相位差向零靠近，如此多次调节，直至相位差稳定在零。

锁相环的鉴相器[5]采用比较电机反电势和电网线电压过零点方式，捕获顺序为捕获电网正向过零点[6]，

其次捕获电机反电势正向过零点得到时间差。只要捕获到电网电压过零点即进

入捕获中断，在DSP事件管理器周期三中断中开启计时器[7]，

当第二次捕获到电机反电势过零点时关闭计时器得到计时长度。计时器的时钟周期是已知的，则可以计算出此时的相位差。这就是软件鉴频鉴相器的工作原理，需要注意的是捕获过程中可能遇到捕获电网正过零点后，等待时间很长才捕获到电机反电势过零点，此时说明电机相位超前于电网，需要将得到的计时时间减去一个工频周期。锁相环的控制模型框图见图2, 图3为软件锁相环在DSP中的控制流程图。

速度环电流环nrefPI环节电机+−PI环节iKnic+Kp+K+sKpc+sCLM锁相环PI环节KKip−pp+s+ϕmϕref

图2 锁相环控制模型

Fig.2 The control model of Phase-Locked-Loop

开始捕获电网、反电势过零点 计算相 位差Δϕ锁相环PI输出输出加到速度给定端 计算速度 偏差速度环PI输出电流环锁相环输PI输出出恒为零确定整流桥触发角Ynmin锁相环的调节器算法仍然位置式PI算法，由于锁相捕捉带宽窄，加上其对相位差的调节手段是改变电机速度，如果进入锁相环时相位

差较大，极限情况是接近半个周波，此时速度环给定很大，如果不能消除偏差，可能导致锁相算法发散。因此需要选取较大的比例常数，加快响应速度。为减小稳态振荡，使锁相末期，相位差能稳定在零点附近，应选取较小的积分常数。实验中，锁相频率范围49Hz-51Hz 。

4 励磁控制方案设计

励磁电流是通过三相全控桥整流出来的直流电压加到励磁绕组两端得到的，励磁调节器采用PI算法，传递函数为

WKp(1+T1S)1=

T1S

=K1

p+Kis

式中，Kp为比例常数、Ki为积分常数。PI环节可以消除净差，并具有较好的动态稳定性。

闭环励磁控制系统如图4所示

ENΔuKu*p(1+T1S)KSf1ifT1STsS+11+TLSEM图4 励磁闭环控制系统

Fig.4 The close-loop control system of excitation

在起动阶段，励磁电流保持不变，由公式可知电机输出转矩和励磁成正比，因此可根据额定负载时的励磁大小估算出实际负载时的励磁大小。为了克服起动过程中的摩擦转矩，实际励磁电流值应比估算值稍大一点，根据此原

则得到恒励起动时的励磁大小。当电机转速稳定在额定转速附近后，进入锁相并网环节，此时要在原恒励磁的基础上微调励磁。调节过程需要检测电网和电机反电势幅值，微调过程采

用PI算法，因为励磁调节为微调过程，励磁电流在原给定恒励的基础上变化，所以此处的PI算法采用增量式算法。锁相并网前，先进入PI微调环节，微调完毕后，反电势与电网电压的电压差稳定在零处，锁相使能标志位置‘1’，进入锁相并网调节阶段。下图5为DSP励磁控制的软件流程图。

开始Y恒励磁电流输出励磁电流输出是否进入N整步微调阶段是否存在YY电压差计算N电压差锁相使能标志位置1励磁调节器PI输出结束全桥整流确定α

图5 励磁控制程序流程图

Fig.5 The program flow chart of excitation control

5 方案仿真验证

在锁相阶段，保留双闭环，检测所得相位差通过PI环节后作为反馈量加入到速度环给定端，与额定值一起作为速度环给定，即是通过改变速度环给定来调节速度的变化。当相位差大于零，电机速度增加，当相位差小于零，电机速度相应减小。下面为该方案的仿真模块[8-9]。

图6 锁相环仿真模块 Fig.6 The simulation model of PLL

其中输入端口1接电机速度反馈，输入端口2接直流母线电流反馈，输入端口3为相位差反馈。仿真中发现，如果起动过程和锁相过程采用同一套PI参数，则锁相效果不佳。在仿真中，起动过程与锁相过程速度环采用不同的PI参数，而电流环参数不变。模块上方中的速度环用于起动过程中，下方的速度环用于锁相并网阶段。仿真中在16s时开始切换，进入锁相阶段。

锁相前，反电势与电网电压波形比较如图7所示。

图7 锁相前反电势与电网电压比较波形 Fig.7 The grid and Back-EMF waves before

phase-locked

此时反电势电压超前电网电压(均为BC相)，检测得到相位差约为-100°，进入锁相阶段，相位差将会向零趋近，最后锁相完毕，相位差为零，得到的锁相完毕的波形图如下：

图8 锁相结束后反电势与电网电压比较波形 Fig.8 The grid and Back-EMF waves after

phase-locked

可以看出，锁相完成后，反电势与电网电压已经重合在一起，相位差为零。而且配合励磁控制，两者幅值也基本相等。至此，验证所设计锁相并网的可行性。 6 平台实验验证

进入并网阶段前，电机反电势频率尚未稳定在锁相范围, 此时系统依然处于双闭环调速状态，电机转速在速度给定上下小幅震荡，负载电流跟随速度调节器的输出。此时为锁相并网控制系统的初始状态，电机反电势与电网线电压既存在电压差又存在相位差，可以近似认为转速已经不变，则反电势幅值与励磁电流呈线性关系，而相位差则是随机的[10]。此时的实验波形如图9所示。

之后转速进入锁相范围，由于励磁电流较大，电机反电势大于电网线电压。反电势与电网电压的差值作为给定量输入励磁闭环，经过励磁控制算法减小励磁电流。达到稳态时两电

压幅值基本相等，如图10所示。

图9锁相前反电势与电网电压实验波形 Fig.9 The experimental waves of grid and Back-EMF

before phase-locked

图10 励磁调节后反电势和电网实验波形 Fig.10 The experimental waves of grid and Back-EMF

after excitation control

在满足了无冲击并网的电压幅值条件后，开始锁相过程。此时控制方式即为速度环与锁相环双模调频、调相。正常情况下在电机反电势处于49Hz—51Hz之间，相位差经PI环节加到速度环的给定端，锁相环利用积分分离式PI算法，可以较快速的调节电机反电势相位跟踪电网相位，相位差逐渐收敛，稳态时相位差几乎为零。但是如果遇到负载变化、电网电压突变等干扰，可能出现相位失锁的情况。由于锁相环捕捉带宽很窄，已经无法捕捉相差进行调速了，而此时电机速度会超出锁相范围，锁相环停止工作，双闭环恢复调速，在几个电网周期后重新进入锁相环调相算法。锁相环调相效果如图11所示。

图11 通过锁相环调相后波形示意图 Fig.11 The experimental waves after phase-locked

从图11中可以看到，在锁相并网控制末

期，完全满足了同步电机定子端电压与电网电压差值要求频率差小于0.25Hz，电压差小于电机额定电压5%，相位差近似为零的工程并网条件，可以保证无冲击并网的实现。

7 结论

针对电机并网所要满足的三个条件，本文提出了自控变频式同步电机的全数字式软件锁相方案。该软件锁相算法采用检测电网和电机反电势过零点鉴相，锁相环与速度环、电流环协同调节的双模控制方式，并且提出了在锁相并网过程中励磁的控制方案。最后通过MATLAB仿真实验及平台实验验证了该锁相并网方案的可行性。使得在在并网控制阶段末期，同步电机定子端电压与电网电压差值满足频率差小于0.25Hz，电压差小于电机额定电压的

5%，完全满足工程中无冲击并网条件。

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作者简介

庄宗良 男，1987年生，广西北海人，硕士研究生，研究

术，潜油电泵机组信号检测与控制技术。

徐殿国 男，1960年生，教授，博士生导师，主要研究方

方向为电力电子技术。

高 强 男，19年生，博士生导师，教授，主要研究方

向为电力电子技术，照明电子技术，电机控制技术，智能控制技术。

向为中压异步电机重载软起动技术，电力系统无功补偿技