CN102244496B - 一种电机变频调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机变频调速系统，包括：电机，该电机包括：第一定子绕组，具有第一绕组极对数G，用于与高压交流电源相连接；第二定子绕组，具有第二绕组极对数D；转子绕组；变频调速装置，该变频装置包括：整流单元，其输入端与低压交流电源相连接；逆变单元，其输入端与整流单元的输出端相连接，其输出端与第二定子绕组相连接；第一电流检测单元，用于对第一定子绕组的三相电流进行检测；第二电流检测单元，用于对第二定子绕组的三相电流进行检测；控制器，其输入端与第一电流检测单元和第二电流检测单元相连接，其输出端与逆变单元的输入端相连接。利用该技术方案，能够用低压小功率变频调速装置来控制高压大功率电机。

Description

一种电机变频调速系统

技术领域

本发明涉及电机技术，特别是涉及一种电机变频调速系统。 

背景技术

目前，高压电机的变频调速，通常使用高压变频器来控制高压电动机。为了整个调速系统的安全可靠性，通常所使用的高压变频器的容量要大于高压电机的额定容量。这样就导致了高压变频器成本高，体积大，控制系统复杂，操作维护困难，这严重地阻碍了它的推广应用。 

发明内容

考虑到上述问题，本发明的一个目的在于提供一种电机变频调速系统，其能够用低压小功率变频调速装置来控制高压大功率电机。 

本发明实施例提供一种电机变频调速系统，其特征在于，包括： 

电机，包括： 

第一定子绕组，具有第一绕组极对数G，用于与高压交流电源相连接； 

第二定子绕组，具有第二绕组极对数D； 

转子绕组； 

变频调速装置，包括： 

整流单元，其输入端与低压交流电源相连接； 

逆变单元，其输入端中的至少一个与整流单元的输出端相连接，其输出端与所述第二定子绕组相连接； 

第一电流检测单元，用于对所述第一定子绕组的三相电流进行检测； 

第二电流检测单元，用于对所述第二定子绕组的三相电流进 行检测； 

控制器，其输入端中的一个与所述第一电流检测单元相连接，其输入端中的另一个与所述第二电流检测单元相连接，其输出端中的一个与所述逆变单元的输入端中的至少另一个相连接，用于根据给定值，对所检测的所述第一定子绕组的三相电流和所述第二定子绕组的三相电流各自所分离成的基波分量和谐波分量分别进行控制，以获得向所述逆变单元输出的控制信号。 

利用本发明实施例的电机变频调速系统，电机的第一定子绕组可直接由高压交流电源如高压电网供电，而第二定子绕组可以由变频调速装置来供电，这样能够用低压小功率的变频调速装置来控制高压大功率电机，节约了能源，同时系统的整体效率要大大高于传统的变频器及其电机系统。 

附图说明

本发明的其它特征、特点、优点和益处将通过以下结合附图的详细描述变得更加显而易见。其中： 

图1示出了根据本发明一实施例的电机变频调速系统； 

图2示出了根据本发明一实施例的变频控制方法的流程示意图； 

图3示出了在根据本发明实施例的变频控制方法的一个具体实例中，控制绕组三相电流的分离示意图； 

图4示出了在根据本发明实施例的变频控制方法的一个具体实例中，功率绕组三相电流的分离示意图； 

图5示出了在根据本发明实施例的变频控制方法的一个具体实例中，矢量控制的示意图； 

图6示出了根据本发明一实施例的控制器。 

具体实施方式

下面，将结合附图来详细描述本发明的各个实施例。 

图1示出了根据本发明一实施例的电机变频调速系统。如图1所 示，该实施例的电机变频调速系统包括：电机和变频调速装置。其中，该实施例的调速系统中，电机包括第一定子绕组和第二定子绕组，其中第一定子绕组(即功率绕组或高压绕组)具有第一绕组极对数G，用于接高压交流电源如高压电网，其中第二定子绕组(即控制绕组或低压绕组)具有第二绕组极对数D，用于接低压变频调速装置。电机还包括转子，其转子绕组采用多相绕线型绕组。在一个示例中，转子绕组的相数m满足如下关系式： 

m＝(G+D)/m_k， 

式中，当G+D为奇数时，m_k＝1，当G+D为偶数时，m_k＝2。 

根据交流电机中关于绕组“齿谐波”磁动势方面的理论，对于上述电机，在高压绕组上接入高压工频交流电源，低压绕组接入变频电源时，转子绕组能同时产生G和D两种极对数旋转磁动势，高压绕组磁动势转速为： 

n＝60×f_g/G，其中，f_g为高压交流工频； 

低压绕组的磁动势转速为： 

n＝60×f_d/D，其中f_d为变频电源的基波频率； 

且这两种磁动势的旋转方向相反，在两种旋转磁动势作用下，转子转速为： 

n＝60×(f_g±f_d)/(G+D)， 

从而，通过对低压绕组的变频控制能实现对电机的变频调速。 

示例性地，上述电机为无刷双馈电机。 

该实施例中，与电机相连接、对电机进行变频调速的变频调速装置包括：整流单元110，其输入端通过输入接触器120与低压交流电源如低压电网相连接；逆变单元130，包括多个输入端，其输入端中的至少一个与整流单元的输出端相连接，其输出端与第二定子绕组(控制绕组)相连接，其接收整流单元输出的直流电源以及控制器160输出的控制信号；第一电流检测单元140，用于对第一定子绕组(功率绕组)的三相电流进行检测，其输入端与第一定子绕组即功率绕组相连接，如图1所示，在实现上可以接在电网和电机的第一定子绕组即功率绕组之间，其输出端与控制器160相连接；第二电流检测单元150，用于对第二定子绕组的三相电流进行检测，其输入端与第二定子绕组相连接，如图1所示，在实现上可以接在逆变单元和电机的第二定子绕组即控制绕组之间，其输出端与控制器160相连接；控制器160，具有多个输入端和多个输出端，其输入端中的一个与所述第一电流检测单元相连接，用于接收第一电流检测单元输出的所检测的第一定子绕组的三相电流，其输入端中的另一个与所述第二电流检测单元相连接，用于接收第二电流检测单元输出的所检测的第二定子绕组的三相电流，控制器160的输出端中的一个与所述逆变单元的输入端中的至少另一个相连接，以将变频控制信号输入逆变单元，用以对电机进行变频调速；第一接触器170，其多个输入端中的不同输入端分别与高压交流电源和所述控制器的输出端中的另一个相连接，其输出端与所述第一定子绕组相连接，用于根据控制器输出的信号对功率绕组的通断电进行控制。 

如图1，该实施例的电机变频调速系统还可以包括：编码器180，与所述无刷双馈电机的轴直接相连，用于向控制器输出与所述无刷双馈电机的转子的位置相关的信息。利用编码器输出的信息可以确定转子的转速，以及转子磁动势相角。具体地，编码器可以安装在电机的轴上。 

如图1，示例性地，该实施例的电机变频调速系统还可以包括：控制面板190，该控制面板190与控制器160相连接，用于接收操作指令并显示当前状态。示例性地，操作员可以通过控制面板向控制器输入相应的控制信号，如输入相应的给定信号。 

如图1，示例性地，该实施例的电机变频调速系统还包括：稳压电容181，其并联在整流单元的输出端，用于对整流单元的输出电压进行稳压。 

针对上述具有两个定子绕组的电机如无刷双馈电机，根据绕组“齿谐波”磁动势方面的理论，本发明的发明人在实现本发明的过程中发现绕组的谐波使得电机在运行时存在不稳定的缺陷，本发明的实施例的系统中，控制器160通过在接收到所检测的第一定子绕组的三相电流和第二定子绕组的三相电流后，根据给定值，对所检测的第一 定子绕组的三相电流和第二定子绕组的三相电流各自所分离成的基波分量和谐波分量分别进行控制来获得向所述逆变单元输出的控制信号可以克服在这种类型的电机在运行的过程中，由于功率绕组、控制绕组和转子绕组磁场的相互作用，可能存在由于谐波的存在导致的电机运行不稳定的缺陷，增强了电机运行的稳定性。使得对本发明的实施例中的具有两个定子绕组的上述电机进行变频调试成为可能。 

该实施例中，输入接触器、整流单元、稳压电容、逆变单元从低压电网吸收能量，为电机的控制绕组提供能量，电机的功率绕组通过第一接触器从高压电网吸收能量。 

该实施例中，变频调速装置的一个示例工作过程包括：输入接触器闭合之后，低压电网电压通过整流单元整流，将交流电转化为直流电；直流电经过稳压电容稳压后，得到稳定的直流电压；逆变单元在电机还没有运行起来的情况下，输出直流电；在操作面板上得到起动信号后，控制器输出控制信号使第一接触器闭合，则此时高压电网电压直接加在电机的功率绕组上，电机开始运行；然后，根据操作面板上的转速给定信号，通过控制器改变逆变单元的输出电压，从而实现电机的调速。 

本发明编码器安装在无刷双馈电机轴上，与电机轴直连，其输出信号送入控制器，可以检测电机的转速。第一电流检测单元和第二电流检测单元可以分别通过电流霍尔传感器来检测控制绕组和功率绕组的三相电流，其输出信号送入控制器。 

本发明所述逆变单元把整流单元输出的直流电逆变为三相交流电供给无刷双馈电机控制绕组，输出的三相交流电压，可以是正弦波，也可以是几个正弦波的叠加，几个频率电压的幅值、频率可以根据控制器的控制指令信号变化。 

本发明实施例的变频调速装置利用其控制器根据所检测的功率绕组和控制绕组的三相电流，对功率绕组和控制绕组电流的基波分量和谐波分量分别进行控制，可以控制逆变单元的输出电压的波形、幅值、频率，从而实现无刷双馈电机在不同负载和转速下的稳定运行。 

如图2，本发明实施例的变频调速装置中的控制器进行变频控制 的方法包括如下步骤： 

步骤S210，将所检测的控制绕组的电流和功率绕组的电流分别分离成对应的基波分量和谐波分量； 

步骤S220，根据给定值，分别对控制绕组的电流对应的基波分量和谐波分量以及功率绕组的电流对应的基波分量和谐波分量进行控制； 

步骤S230，将各基波分量和谐波分量的控制输出进行合成，获得输出控制电压。 

在具体实现中，上述控制可以是闭环控制，如利用比例积分调节器实现的闭环控制。本领域的技术人员应当明白，还可以使用其它的控制算法，如比例积分微分等。示例性地，可以使用实现相应控制算法的控制器件来实现上述控制。 

具体地，本发明实施例的变频控制方法，可以通过如下步骤来将所检测的三相电流分成对应的基波分量和谐波分量： 

确定所检测的三相电流对应的基波分量的幅值； 

将所述基波分量的幅值分别乘以Sin θ、Sin(θ-120°)、Sin(θ+120°)，得到所检测的三相电流的基波分量，其中θ为a相三相电流基波的相角的度数； 

将所检测的三相电流减去其基波分量，得到所检测的三相电流的谐波分量。 

具体地，本发明实施例的变频控制方法中，分别对所述控制绕组的三相电流对应的基波分量和谐波分量以及所述功率绕组的三相电流对应的基波分量和谐波分量进行控制包括： 

根据坐标变换角θ₁对所检测的第一定子绕组的电流的基波分量进行DQ坐标变换，根据坐标变换角θ₂对所检测的第二定子绕组的电流的基波分量进行DQ坐标变换，根据坐标变换角θ_s1对所检测的第一定子绕组的电流的谐波分量和根据坐标变换角θ_s2所检测的第二定子绕组的电流的谐波分量进行DQ坐标变换，其中θ₁为所述第一定子绕组磁动势的相角，所述θ₂为所述第二定子绕组磁动势的相角，所述θ_s1为电机转子磁动势相角和所述第一定子绕组磁动势的相角的夹角，所 述θ_s2为电机转子磁动势相角和所述第二定子绕组磁动势的相角的夹角；其中，上述定子绕组磁动势的相角为对应定子绕组的a相电流的相角；转子磁动势相角可以根据编码器输出的与转子位置相关的信息来确定； 

根据各基波分量和谐波分量对应的给定值，分别对进行DQ坐标变换后输出的各D轴分量和Q轴分量进行控制。 

具体地，本发明实施例的变频控制方法，还包括： 

针对各基波分量和谐波分量，对控制后输出的Q轴分量和D轴分量进行DQ反变换；以及 

将各基波分量和谐波分量进行DQ反变换后输出的电压的每一相分别相加，获得输出控制电压的对应相。 

下面结合图3-图5对本发明实施例的变频控制方法的一个具体实例进行说明。 

将检测到的控制绕组电流分离成基波分量和谐波分量，分别作坐标变换，将变换所得分别与给定比较，通过比例积分(PI)调节后，再反变换输出，输出结果相加，即为控制器的输出。 

控制绕组电流首先要分离成基波分量和谐波分量，将检测到的i_ca、i_cb、i_cc分离成基波分量i_c1a、i_c1b、i_c1c和谐波分量i_c2a、i_c2b、i_c2c。将检测到的t_ca、t_cb、t_cc分别取绝对值，三个值求和，然后递推平均求平均值，该平均值除以3，即为每一相电流的平均值，平均值乘以1.1*1.414即为幅值。使用该幅值分别乘以Sinθ、Sin(θ-120°)、Sin(θ+120°)，就得到了三相电流的基波分量i_c1a、i_c1b、i_c1c，用检测到的电流i_ca、i_cb、i_cc分别减去i_c1a、i_c1b、i_c1c，就得到了三相谐波分量i_c2a、i_c2b、i_c2c。然后使用同样的方法将检测到的功率绕组电流i_pa、i_pb、i_pc分离成基波分量i_p1a、i_p1b、i_p1c和谐波分量i_p2a、i_p2b、i_p2c。在确定基波分量的幅值时，也可以不使用递推平均而只是使用其它的平均算法如常规的平均算法。 

确定各基波分量和谐波分量进行DQ坐标变换用的坐标变换角。其中功率绕组的基波分量的坐标变换角θ₁(θ_p)为功率绕组磁动势的相角，控制绕组的基波分量的坐标变换角θ₂(θ_c)为控制绕组磁动势 的相角，功率绕组的谐波分量的坐标变换角θ_s1为电机转子磁动势相角和所述功率绕组磁动势的相角的夹角，控制绕组的谐波分量的坐标变换角θ_s2为电机转子磁动势相角和控制绕组磁动势的相角的夹角。 

在将控制绕组和功率绕组电流的基波分量和谐波分量分离之后，并求取了坐标变换所需的角度，就可以进行矢量控制。以角度θ_c对控制绕组电流基波分量i_c1a、i_c1b、i_c1c做坐标变换，变换到DQ轴，得到i_c1d、i_c1q，将这两个值分别与给定值作差，通过PI调节器后，再反变换输出，得到v_c1a、v_c1b、v_c1c。同理，以角度θ_s2对控制绕组电流谐波分量i_c2a、i_c2b、i_c2c做相同操作，得到v_c2a、v_c2b、v_c2c；以角度θ_p对功率绕组电流基波分量i_p1a、i_p1b、i_p1c做相同操作，得到v_p1a、v_p1b、v_p1c；以角度θ_s1对功率绕组电流谐波分量i_p2a、i_p2b、i_p2c做相同操作，得到v_p2a、v_p2b、v_p2c。则驱动控制器a相输出电压v_ca为v_c1a、v_c2a、v_p1a、v_p2a之和；b相输出电压v_cb为v_c1b、v_c2b、v_p1b、v_p2b之和；c相输出电压v_cc为v_c1c、v_c2c、v_p1c、v_p2c之和。该例中，使用PI调节器来进行闭环控制。 

图5中，i^* _c1q、i^* _c1d、i^* _c2q、i^* _c2d、i^* _p1q、i^* _p1d、i^* _p2q、i^* _p2d分别是各基波分量和谐波分量对应的D轴分量和Q轴分量的给定电流。基波分量和谐波分量的给定值可以预先设定。 

图5中，3/2变换代表电机坐标的三相到两相的DQ变换；2/3变换代表电机坐标的两相到三相的DQ反变换。 

图6示出了本发明一实施例的控制器。该控制器160包括：电流分离模块610，用于将所述第一电流检测单元所检测的第一定子绕组的三相电流和所述第二电流检测单元所检测的第二定子绕组的三相电流分别分离成对应的基波分量和谐波分量；控制模块620，用于根据给定值，对所检测的第一定子绕组的三相电流对应的基波分量和谐波分量以及所检测的第二定子绕组的三相电流的基波分量和谐波分量分别进行控制；合成模块630，用于将各基波分量和谐波分量的控制输出进行合成，以获得向所述逆变单元输出的控制信号。 

较佳的，上述控制模块为闭环控制模块，用于进行闭环控制。 

进一步地，该实施例的控制器中，所述电流分离模块包括： 

幅值确定模块，用于确定所检测的三相电流对应的基波分量的幅 值，其中，所检测的电流为所检测的第一定子绕组的三相电流或所检测的第二定子绕组的三相电流； 

基波确定模块，用于将所确定的基波分量的幅值分别乘以Sinθ、Sin(θ-120°)、Sin(θ+120°)，得到所检测的电流的基波分量，其中θ为所检测的三相电流中的a相电流的基波的相角度数； 

谐波确定模块，用于将所检测的三相电流减去其基波分量，得到所检测的三相电流的谐波分量。 

进一步地，该实施例的控制器中，所述控制模块包括：坐标变换模块，用于根据坐标变换角θ₁对所检测的第一定子绕组的电流的基波分量进行DQ坐标变换，根据坐标变换角θ₂对所检测的第二定子绕组的电流的基波分量进行DQ坐标变换，根据坐标变换角θ_s1对所检测的第一定子绕组的电流的谐波分量和根据坐标变换角θ_s2所检测的第二定子绕组的电流的谐波分量进行DQ坐标变换，其中θ₁为所述第一定子绕组磁动势的相角，所述θ₂为所述第二定子绕组磁动势的相角，所述θ_s1为电机转子磁动势相角和所述第一定子绕组磁动势的相角的夹角，所述θ_s2为电机转子磁动势相角和所述第二定子绕组磁动势的相角的夹角；DQ控制模块，用于根据各基波分量和谐波分量对应的给定值，分别对进行DQ坐标变换后输出的各D轴分量和Q轴分量进行控制。 

进一步地，该实施例的控制器中，还包括：坐标反变换模块，用于针对各基波分量和谐波分量，对控制后输出的D轴分量和Q轴分量进行DQ反变换；所述合成模块进一步用于将各基波分量和谐波分量进行DQ反变换后输出的控制信号的每一相分别相加，获得向所述逆变单元输出的控制信号对应相。 

进一步地，该实施例的控制器向所述逆变单元输出的控制信号为控制电压。 

进一步地，该实施例的控制器中，所述控制模块为比例积分调节模块。当然，其还可以是其它的控制模块，如比例积分微分(PID)等模块。 

本领域技术人员应当理解，控制器160可以利用软件、硬件或者 软硬件结合的方式来实现。 

本领域技术人员应当理解，上面所描述的各个实施例可以在不偏发明实质的情况下做出各种改变和变形，并且这些改变和变形都应该落入在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。 

Claims (7)

1.一种电机变频调速系统，其特征在于，包括：

电机，包括：

第一定子绕组，具有第一绕组极对数G，用于与高压交流电源相连接；

第二定子绕组，具有第二绕组极对数D；

转子绕组；

变频调速装置，包括：

整流单元，其输入端与低压交流电源相连接；

逆变单元，其输入端中的至少一个与整流单元的输出端相连接，其输出端与所述第二定子绕组相连接；

第一电流检测单元，用于对所述第一定子绕组的三相电流进行检测；

第二电流检测单元，用于对所述第二定子绕组的三相电流进行检测；

控制器，其输入端中的一个与所述第一电流检测单元相连接，其输入端中的另一个与所述第二电流检测单元相连接，其输出端中的一个与所述逆变单元的输入端中的至少另一个相连接，用于根据给定值，对所检测的所述第一定子绕组的三相电流和所述第二定子绕组的三相电流各自所分离成的基波分量和谐波分量分别进行控制，以获得向所述逆变单元输出的控制信号；

其中，所述控制器包括：

电流分离模块，用于将所述第一电流检测单元所检测的第一定子绕组的三相电流和所述第二电流检测单元所检测的第二定子绕组的三相电流分别分离成对应的基波分量和谐波分量；

控制模块，用于根据给定值,对所检测的第一定子绕组的三相电流对应的基波分量和谐波分量以及所检测的第二定子绕组的三相电流的基波分量和谐波分量分别进行控制；

合成模块，用于将各基波分量和谐波分量的控制输出进行合成，以获得向所述逆变单元输出的控制信号；

其中，所述控制模块包括：

坐标变换模块，用于根据坐标变换角θ₁对所检测的第一定子绕组的电流的基波分量进行DQ坐标变换，根据坐标变换角θ₂对所检测的第二定子绕组的电流的基波分量进行DQ坐标变换，根据坐标变换角θ_s1对所检测的第一定子绕组的电流的谐波分量和根据坐标变换角θ_s2所检测的第二定子绕组的电流的谐波分量进行DQ坐标变换，其中θ₁为所述第一定子绕组磁动势的相角，所述θ₂为所述第二定子绕组磁动势的相角，所述θ_s1为电机转子磁动势相角和所述第一定子绕组磁动势的相角的夹角，所述θ_s2为电机转子磁动势相角和所述第二定子绕组磁动势的相角的夹角；

DQ控制模块，用于根据各基波分量和谐波分量对应的给定值，分别对进行DQ坐标变换后输出的各D轴分量和Q轴分量进行控制。

2.根据权利要求1所述的电机变频调速系统，其特征在于，所述转子绕组为多相绕线型，相数为m，其中，m=（G+D）/m_k，其中，当G+D为奇数时，m_k=1；当G+D为偶数时，m_k=2。

3.根据权利要求1所述的电机变频调速系统，其特征在于，还包括：

编码器，与所述电机的轴直接相连，用于向控制器输出与所述电机的转子的位置相关的信息。

4.根据权利要求1所述的电机变频调速系统，其特征在于，还包括：

第一接触器，其输入端与高压交流电源和所述控制器的输出端中的另一个相连接，其输出端与所述第一定子绕组相连接。

5.根据权利要求1所述的电机变频调速系统，其特征在于，所述控制器还包括：

坐标反变换模块，用于针对各基波分量和谐波分量，对控制后输出的D轴分量和Q轴分量进行DQ反变换；

所述合成模块进一步用于将各基波分量和谐波分量进行DQ反变换后输出的控制信号的每一相分别相加，获得向所述逆变单元输出的控制信号对应相。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电机变频调速系统，其特征在于，所述控制器向所述逆变单元输出的控制信号为控制电压。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的电机变频调速系统，其特征在于，所述控制模块为比例积分调节模块。

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