專利名稱：多臺交流同步電機串聯運行的同步與負荷平衡控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力電子與交流傳動技術領域，特別是提供了一種多臺交流同步電機 串聯運行的同步與負荷平衡控制系統。
背景技術：
在高壓大功率場合，為了減小機械設備的轉動慣量，加快過渡過程并減小過渡過 程中的能量損耗，以及在很多超大容量同步電機應用場合，由于超大容量的同步電機 難于制造，經常采用多臺交流同步電機的同軸串聯運行。這種多電機傳動系統的關鍵 是解決好同步控制和負荷平衡問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種多臺交流同步電機串聯運行的同步與負荷平衡控制系 統，解決了同步控制和負荷平衡問題。
本發明的系統包括速度傳感器、位置檢測器、交流同步電機、勵磁控制裝置、 變頻器、脈沖觸發裝置、矢量控制系統、負荷平衡控制裝置和同步綜合控制裝置。圖1 為多臺交流同步電機串聯運行的同步與負荷平衡控制系統及其方法的結構圖。1#交流
同步電機、2tt交流同步電機、3tt交流同步電機…所有交流同步電機(交流同步電機為2 5臺)同軸剛性串聯；軸上只安裝了一個位置檢測器和一個速度傳感器；ltt交流同步電 機、2tt交流同步電機、3tt交流同步電機…所有交流同步電機均具有獨立的矢量控制系 統、具有獨立的變頻器、勵磁控制裝置及脈沖觸發裝置；由速度傳感器得到速度值， 輸入速度調節器得到力矩給定值，然后，由各臺交流同步電機各自的實際電流值和磁 鏈值輸入負荷平衡控制裝置，得到各臺交流同步電機的實際力矩值，再在負荷平衡控 制裝置中將輸入的給定力矩值與各臺交流同步電機的實際力矩值進行分析、計算，輸 出各臺交流同步電機各自所需的力矩給定值，輸入到各臺交流同步電機的矢量控制系 統中的給定模塊，保證了同軸串聯的多臺交流同步電機運行時負荷平衡；將位置檢測 器得到檢測器零位角與各交流同步電機的矢量控制系統中的電壓電流檢測計算模塊輸 出的角度輸入同步綜合控制裝置，得到各臺交流同步電機的轉子位置角，將各臺交流 周步電機的轉子位置角輸入到各臺交流同步電機矢量控制系統中的旋轉變換模塊，使 同軸串聯運行的多臺交流同步電機保持同步；各臺交流同步電機的矢量控制系統的輸 出作為脈沖觸發裝置的輸入，由脈沖觸發裝置產生脈沖接入各臺變頻器，各臺變頻器 的輸出獨立控制各臺交流同步電機運行，勵磁控制裝置用于給各臺交流同步電機的勵 磁繞組供電及實現磁場定向控制。
負荷平衡問題是多臺交流同步電 的同軸串聯運行所必須解決的問題，如果不能 保證負荷平衡，則會造成各個電機輸出電流的不同，進而破壞整個系統。圖2為兩臺交流同步電機同軸串聯運行時的負荷平衡控制的結構圖。兩臺同軸串 聯的交流同步電機共用一個速度調節器，根據速度調節器的輸出得到力矩給定值M'， 然后將M'輸入負荷平衡控制裝置；ltt交流同步電機的實際電流^、 /w、 ^經3/2變
換模塊得到^、 /^，由/。,、 /p經旋轉變換(VD)模塊得到實際力矩電流值^，然后 將^輸入負荷平衡控制裝置；2#交流同步電機的實際電流/。2、 /62、 ^經3/2變換模 塊得到/。2、 ~2，由/ 2、 /^經旋轉變換(VD)模塊得到實際力矩電流值/ 2，然后將/,,2
輸入負荷平衡控制裝置；將力矩閾值給定值AM'輸入負荷平衡控制裝置，A似'可通過 控制系統調節。
負荷平衡控制裝置利用ltt交流同步電機的實際力矩電流反饋值^與實際磁鏈值 ^做乘，得到力矩實際值^1;同理，利用2#交流同步電機的實際力矩電流反饋值^ 與實際磁鏈值^做乘，得到力矩實際值^2;然后將兩臺交流同步電機的力矩實際值
做差，即AiW^i^-Mp得到兩臺交流同步電機的實際力矩差值AM，如果實際力矩 差值大于力矩閾值AM'，則根據規則調整負荷平衡控制裝置的輸出兩臺交流同步電機 的力矩給定值M,'、 M2'，調整規則為M:=M'±、AM 。當兩臺交流同步電機同軸 串聯運行時，通過負荷平衡控制裝置得到兩臺交流同步電機的實際力矩差值，并與給
定力矩閾值相比較，按照m;;-M'土tAMn規則，增大或減小相應交流同步電機的力
矩給定值，使同軸串聯運行的兩臺交流同步電機負荷達到平衡。同理，可將此控制方 .法推廣到多臺交流同步電機串聯運行的系統中。
本發明的優點在于同軸串聯的多臺交流同步電機共用單個速度環，消除了若啟 用多個速度環后，由于各個速度反饋差異所引起的各種問題，同時通過負荷平衡控制 裝置對給定力矩值分別控制，充分利用了矢量控制系統的電流環的快速響應特性，保 kE 了同軸串聯的多臺交流同步電機間的負荷平衡與快速性。
同軸串聯的各臺交流同步電機雖然型號一致，但由于機械安裝原因，各交流同步 電機的磁極不一致。同步綜合控制裝置實現了采用一個位置檢測器得到同軸串聯的多 臺交流同步電機矢量控制所需的旋轉角的方法，保證了多臺交流同步電機的同步運行。
圖1為多臺同步電機串聯運行同步與負荷平衡控制系統及方法的結構圖。其中速 度傳感器l、位置檢測器2、交流同步電機3、勵磁控制裝置4、變頻器5、脈沖觸發裝 置6、矢量控制系統7、負荷平衡控制裝置8、同步綜合控制裝置9。
圖2為兩臺交流同步電機串聯運行負荷平衡控制結構圖。
圖3為兩臺交流同步電機串聯運行同步綜合控制結構圖
具體實施例方式
本發明在我國第一套國產大型提升機全自動化、全數字交交變頻雙機拖動系統中 得到成功應用。交流同步電機參數如下:
容 量2臺承3000KW
電 壓1500V
電 流1212.5A
轉 速40. 2 r/min
頻 率8.04Hz
極 數12
過載倍數2倍/1分鐘
勵磁電流323A
勵磁電壓267V
電機的力矩公式M-yx/,在電流相等而磁通不相等情況下，電機力矩是不相等 的，出現負荷不平衡問題。本系統引入了負荷平衡控制環節。控制框圖如圖2所示。
在提升機雙機運行時，負荷平衡控制環節通過電機的磁通和電流實際值時刻監測 兩臺電機的力矩，當兩臺電機的力矩之間的差值超過3% (即AM'-^/。)時，負荷平 衡控制環節投入，調整電機的力矩給定值，實現在一定檢測精度下兩臺電機的轉矩平 衡，本系統是通過雙向調節，即加大力矩小的電機的力矩給定值的同時，減小力矩大 的電機的力矩給定值，達到兩臺電機的轉矩平衡，即負荷平衡。
同時，提升機調速系統的雙機同步問題通過本發明的同步綜合控制環節得到很好 解決。
圖2為兩臺交流同步電機同軸串聯運行時的負荷平衡控制的結構圖。兩臺同軸串 聯的交流同步電機共用一個速度調節器，根據速度調節器的輸出得到力矩給定值M'， 然后將M'輸入負荷平衡控制裝置；ltt交流同步電機的實際電流/。。 /61、 /￡1經3/2變 換模塊得到^、 /^，由/ 。 /^經旋轉變換(VD)模塊得到實際力矩電流值^，然后 將^輸入負荷平衡控制裝置；2#交流同步電機的實際電流/。2、 /62、 ^經3/2變換模 塊得到Q、 /^，由/。2、 /^經旋轉變換(VD)模塊得到實際力矩電流值/^，然后將/,,2 輸入負荷平衡控制裝置；將力矩閾值給定值AM'輸入負荷平衡控制裝置，AM'可通過 控制系統調節。
負荷平衡控制裝置利用W交流同步電機的實際力矩電流反饋值^與實際磁鏈值 ^做乘，得到力矩實際值A;同理，利用2tt交流同步電機的實際力矩電流反饋值^ 與實際磁鏈值^做乘，得到力矩實際值^2;然后將兩臺交流同步電機的力矩實際值
做差，即AM-A^-;2，得到兩臺交流同步電機的實際力矩差值AM，如果實際力矩 差值大于力矩閾值AM',則根據規則調整負荷平衡控制裝置的輸出兩臺交流同步電機 的力矩給定值M:、 M;，調整規則為M '=M'±、AM 。當兩臺交流同步電機同軸
串聯運行時，通過負荷平衡控制裝置得到兩臺交流同步電機的實際力矩差值，并與給
6定力矩閾值相比較，按照M"'二M'土、AMn規則，增大或減小相應交流同步電機的力
矩給定值，使同軸串聯運行的兩臺交流同步電機負荷達到平衡。同理，可將此控制方 法推廣到多臺交流同步電機串聯運行的系統中。
圖3為兩臺交流同步電機串聯運行的同步綜合控制結構圖。
給W交流同步電機轉子通電，即1S交流同步電機勵磁電流^接入，2#交流同步電 機不通電。在ltt交流同步電機定子端產生感應電勢^、 eA1、 &，將此感應電勢送入 1#交流同步電機矢量控制系統中的電壓電流檢測計算環節中，得到感應電勢與a軸的
夾角^ ;
給2#交流同步電機轉子通電，即2#交流同步電機勵磁電流//2接入，1#交流同步 電機不通電。在2#交流同步電機定子端產生感應電勢^2、 &2、 ee2，將此感應電勢送 入2#交流同步電機矢量控制系統中的電壓電流檢測計算環節中，得到感應電勢與a軸
的夾角^2 ;
交流同步電機運轉后，通過軸上安裝的位置檢測器可得到位置檢測器零位與a軸 的夾角A。； '
將"、伊:、義。輸入同步綜合控制裝置，并由e角計算模塊，得到1#交流同步電 機的轉子位置角《和2ft交流同步電機的轉子位置角《，再經P角記憶模塊對《和《角 記憶。在1W交流同步電機和2II交流同步電機隨后的啟動以及矢量控制運行中，《和《 固定不變，ltt交流同步電機、2tt交流同步電機各自的矢量控制系統中的旋轉變換模塊 所需的旋轉角分別為化和9>2 ，按照規則A = & 、 & = A。 +《得到。
此兩臺交流同步電機串聯的同步控制方法可推廣到多臺交流同步電機串聯的同 步控制中。
權利要求
1、一種多臺交流同步電機串聯運行的同步與負荷平衡控制系統，包括速度傳感器、位置檢測器、交流同步電機、勵磁控制裝置、變頻器、脈沖觸發裝置、矢量控制系統、負荷平衡控制裝置和同步綜合控制裝置；其特征在于所有交流同步電機同軸剛性串聯；軸上只安裝了一個位置檢測器和一個速度傳感器；所有交流同步電機均具有獨立的矢量控制系統、具有獨立的變頻器、勵磁控制裝置及脈沖觸發裝置；由速度傳感器得到速度值，輸入速度調節器得到力矩給定值，然后，由各臺交流同步電機各自的實際電流值和磁鏈值輸入負荷平衡控制裝置，得到各臺交流同步電機的實際力矩值，再在負荷平衡控制裝置中將輸入的給定力矩值與各臺交流同步電機的實際力矩值進行分析、計算，輸出各臺交流同步電機各自所需的力矩給定值，輸入到各臺交流同步電機的矢量控制系統中的給定模塊，保證了同軸串聯的多臺交流同步電機運行時負荷平衡；將位置檢測器得到檢測器零位角與各交流同步電機的矢量控制系統中的電壓電流檢測計算模塊輸出的角度輸入同步綜合控制裝置，得到各臺交流同步電機的轉子位置角，將各臺交流同步電機的轉子位置角輸入到各臺交流同步電機矢量控制系統中的旋轉變換模塊，使同軸串聯運行的多臺交流同步電機保持同步；各臺交流同步電機的矢量控制系統的輸出作為脈沖觸發裝置的輸入，由脈沖觸發裝置產生脈沖接入各臺變頻器，各臺變頻器的輸出獨立控制各臺交流同步電機運行，勵磁控制裝置用于給各臺交流同步電機的勵磁繞組供電及實現磁場定向控制。
2、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于所述的交流同步電機為2 5臺。
3、 根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于兩臺同軸串聯的交流同步電機 共用一個速度調節器，根據速度調節器的輸出得到力矩給定值M'，然后將M'輸入負 荷平衡控制裝置；ltt交流同步電機的實際電流^、 iw、 L經3/2變換模塊得到i。。 ^， 由/w、 /^經旋轉變換(VD)模塊得到實際力矩電流值/,,,，然后將^輸入負荷平衡控 制裝置；2#交流同步電機的實際電流/。2、 /62、 ^經3/2變換模塊得到^、 &，由/。2、 /^經旋轉變換(VD)模塊得到實際力矩電流值/,,2，然后將/,"輸入負荷平衡控制裝置； 將力矩閾值給定值AM'輸入負荷平衡控制裝置，AM'可通過控制系統調節。
4、 根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于負荷平衡控制裝置利用1S交流同步電機的實際力矩電流反饋值^與實際磁鏈值^做乘，得到力矩實際值M,;利 用2#交流同步電機的實際力矩電流反饋值、2與實際磁鏈值^做乘，得到力矩實際值M2 ;然后將兩臺交流同步電機的力矩實際值做差，AM = i^-;2 ，得到兩臺交流同 步電機的實際力矩差值AM，如果實際力矩差值大于力矩閾值AM'，則根據規則調整 負荷平衡控制裝置的輸出兩臺交流同步電機的力矩給定值M:、 M2'，調整規則為 M:-M'土、AM";當兩臺交流同步電機同軸串聯運行時，通過負荷平衡控制裝置得 到兩臺交流同步電機的實際力矩差值，并與給定力矩閾值相比較，按照 M '-M'土tAM"規則，增大或減小相應交流同步電機的力矩給定值，使同軸串聯運行的兩臺交流同步電機負荷達到平衡。
全文摘要
一種多臺交流同步電機串聯運行的同步與負荷平衡控制系統，屬于電力電子與交流傳動技術領域。該系統包括速度傳感器、位置檢測器、交流同步電機、勵磁控制裝置、變頻器、脈沖觸發裝置、矢量控制系統、負荷平衡控制裝置和同步綜合控制裝置；其特征在于所有交流同步電機同軸剛性串聯；軸上只安裝了一個位置檢測器和一個速度傳感器；所有交流同步電機均具有獨立的矢量控制系統、具有獨立的變頻器、勵磁控制裝置及脈沖觸發裝置。優點在于，充分利用了矢量控制系統的電流環的快速響應特性，保證了同軸串聯的多臺交流同步電機間的負荷平衡與快速性。
文檔編號H02P6/00GK101577515SQ20091008724
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者山 何, 周亞寧, 朱春毅, 凡 李, 李向欣, 李崇堅, 巍 段, 鋼 葛, 路尚書 申請人:北京金自天正智能控制股份有限公司;冶金自動化研究設計院