CN1033297C - 数控全速电力/动力装置 - Google Patents

Abstract

一种数控全速电力/动力装置，是在稀土全速同步电机的定子线圈外接双向可变频逆变器，该逆变器又分别与供电网和通过大功率电力电子开关组件，滤波电容器组与直流负载相连，并由可编程控制器对双向逆变器和电力电子开关组件进行数字控制。该装置具有可逆的电力/动力转换功能，即在机械设备处于被动时，它能从电流输入能量成为电力拖动装置；而当机械设备处于主动时，它又能成为发电装置，是一种新一代的电力装置。

Description

数控全速电力/动力装置

本发明涉及一种全数控电力拖动及发电装置，特别涉及一种可根据随机条件的不同，而随时成为电力拖动状态或者发电状态的新型电机及其控制设备。

现有的电机，可分为感应电机和励磁电机两大类，前者工作原理简单、制造方便，被广泛应用于工业生产的各个行业中。后者结构复杂、维护量大，虽然可以适当调节其运转工况，但控制精度低，负载特性软。两者都不能直接采用数字控制。为此，申请人研制了一种结构原理简单、有较高效率，又可直接采用数字控制、特别适宜各种变工况场合使用的全数控电力拖动装置(专利申请号：CN92100001.4)。该装置可以对拖动对象的速度、加速度、方向、扭矩、行程等五个运动参数进行实时数控，可以用作各种机械的动力源，并优化其工况。但是，工业上的许多拖动牵引装置都具有双向往复运动的特征，这种往复运动又往往具有双向吞吐能量的特点：即在其工作过程中，某一方向运动时装置从电流中获取能量做功的同时，所输入的能量有相当一部分以势能或其他方式被贮存到装置的机械运动部件中去，而在另一方向运动(即逆过程)中，这一部分储存的能量并没有得到很好的合理应用，而常常利用制动装置白白消耗掉了。便如起重机、电梯、抽油机等工作机械都具有上述运动特征。长久以来，人们一直在寻求找到一种能在装置不同运动状态时，该设备能从电流输入能量成为电力拖动装置，而在其逆状态，当机械装置处于主动时，该设备能成为发电装置。

普通的直流电机可以用作电力/动力转换的可逆设备，但当其处于逆向工作状态时效率很低，且控制复杂，故目前还只以某一状态运转：或者用作电动机，或者用作发电机。交流同步电机虽然在符合并网条件下理论上也是可逆向运转发电的，但是实际运行的设备很难实现上述并网条件，所以，也几乎没有使用交流电机用作电力/动力装置的。由于没有合适的具有双重转换功能的电力/动力换能装置，因此，在一些双向往复运动的工业设备中，为解决逆向功率输入时的能量平衡，往往采取附加的制动装置，把本可以重复利用的机械能通过机械摩擦转换成没有任何有效价值的热能，或者以无功电流形式通过导线和绕组以发热方式挥发耗散到大气中，白白浪费宝贵能源，还造成大气环境中的温室效应污染；而且，会造成电网功率因素降低，使电网供电质量下降。

本发明的目的是在原来的基础上继续改进而设计一种能兼作电力/动力转换量能的数控全速电力设备。

本发明是这样实现的：它由定子1、定子线圈2、转子3、转子支承4组成的稀土全速同步电机和数字控制装置组成，该电机在转子3的外缘有用稀土永磁材料成的磁极5，在定子线圈2外接有双向可变频逆变器7，其特征在于：在磁极5的外围包有护环6，该双向逆变器还分别与供电网12和通过大功率电力电子开关组件9、滤波电容器组10与直流负载11相连接，有对双向可变频逆变器7，电力电子开关组件9进行控制、并可与其他设备共有的可编程控制器8。

本发明是继全数控电力拖动装置之后的又一创新，也是基于申请人的另一专利：全速稀土同步电机具有电力一动力转换特点的再创造。本发明充分利用稀土同步电机的优良特性，再辅以双向可逆逆变器、大功率电力电子组件、微型计算机和相应的软件系统等高科技产品及手段，把原先牵引工作机械中用机械刹车、电阻、无功电流等热耗损手段白白消耗的能量再次开发转换成电能，成为新一代的具有双向功能的电力/动力转换装置。本发明不同于传统的交流电机或直流电机，它可以在全速范围中功率因素始终高于0.95，双向效率均可高于0.9以上。它将广泛应用于机器人动力、电动汽车、各类牵引电机、航空全电控伺服系统、风力发电装置等领域。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中电机部分的剖视结构原理图。

本发明由稀土同步全速电机组成电能与机械能的转换装置。它的作用原理这样的：由于转子3的外缘固装有稀土永磁材料制成的磁极5，使转子3成为永磁转子，当在定子1的定子线圈2中馈入交流电时，此电流会产生一个旋转磁场，该旋转磁场与转子的永磁场相互作用，带动转子3旋转，产生输出扭矩。转子的旋转速度与交变电流产生的旋转速度是相同的。当本发明为电力拖动装置使用时，从供电网12中通过双向可变频逆变器7给定子线圈2馈电，该双向逆变器7把普通工频交流电或直流电变成频率和相位都可变的交流电输出，它不仅可以被控改变输出电流的频率和相位关系，还可被控改变输出电流的大小。通过控制改变双向逆变器7的输出电流频率和相位，就可控制转子3的转动速度、加速度和转动方向，通过控制改变双向可变频逆变器7的输出电流大小，可以调节转子的输出扭矩；还可通过可编程控制器8对其所控的双向逆变器7的输出电流、频率进行积分，实现对行程的控制。总之，通过数字控制方法，籍助可编程控制器8对本发明的输出转速、加速度、运动方向、扭矩和行程都实现精确的实时控制。

而当本发明处于上述过程的逆运动时，也即装置由机械运动的被动状态变成主动状态时，稀土同步全速电机处于典型的发电机状态工作。这时，双向可逆逆变器起着关键的作用，此亦是本发明的关键之一。双向可逆逆变器7把因永磁转子3主动旋转运动而在定子线圈2中感应生成的电势引出成为电流进入双向逆变器7，由其内部的三相全波整流桥组件整流转换成直流电，再经一个大功率电力电子开关组9和滤波电容器组10，馈送到直流耗能负载11上去作功。该直流负载的功率应视具体情况而确定。大功率电力电子开关组件9的作用是：在稀土电机处于发电机状态工作时，它才处于导通状态，使得电机产生的交流电才能向辅助的直流负载供电；当电机处于电动机状态运转时，它处于截止状态，使得其后的装置皆处在关断状态。电机产生的三相交流电被双向逆变器转换成直流电之后，既可以直接向直流负载(如直流输电线路或蓄电池等)馈电，也可以由双向逆变器内部的、与三相交流电网同步的直—交逆变器再逆变成三相交流电，馈送回供电电网，这些过程都是由可编程控制器8发出相应指令来调整，控制相关装置动作而完成的。而可编程控制器8的控制策略和方法都可以编成软件预存在其存储器中，也可以使用其他上层控制计算机通过接口对可编程控制器8输入符合应用设计要求的各种数字指令，再由可编程控制器8根据工况要求，对双向可变频逆变器7、电力电子开关组件9给出相应控制信号，来完成预定功能。

本发明中的双向逆变器可以采用美国ME公司的BMR系列双向逆变器，也可以采用日本富土公司的G7/P7系列变器，或者使用普通逆变器经过专门技术改装，包括采用高速功率电力电子开关器件(SCR、GTO、GTR、MBT等)作为反馈逆变器，但是，采用普通单向逆变器改装的技术难度是比较大的，因此，如果没有特别的理由和必要，还是直接采用美国MBR系列的双向逆变器为好。可编程控制器8可以是普通工业过程控制器，也可以是工业控制计算机，还可以是与其他控制装置或其他设备所共享的中央控制计算机，通过标准工业控制介面，使用分时分址方法对各个装置和参数进行数据采集和控制。

本发明中的稀土永磁材料制成的磁极5可以是分成数块，分别固定的，也可以是环形的整体。磁极5外围包裹的护环6应用高强度顺磁材料制造，使转子能承受高速转动产生的作用力。转子应用铁磁性材料制成，以利导磁。

总之，本发明是新一代具有双向转换功能的电力/动力转换装置，可由计算机控制实时随机根据装置的运动状态是处于动力输入还是动力输出，由此决定发明处于电力拖动还是发电运行状态。

Claims (1)

1、一种数控全速电力/动力装置，是由定子(1)、定子线圈(2)、转子(3)、转子支承(4)组成的稀土全速同步电机和数字控制装置组成的，该电机在转子(3)的外缘有用稀土永磁材料制成的多个磁极(5)，在定子线圈(2)外接有双向可变频逆变器(7)；其特征在于：在磁极(5)的外围包有护环(6)；该双向逆变器还分别与供电网(12)和通过大功率电力电子开关组件(9)、滤波电容器组(10)与直流负载(11)相连接，有对双向可变频逆变器(7)、电力电子开关组件(9)进行控制，并可与其他设备共有的可编程控制器(8)。

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