CN103684199A - 一种两象限运行绕线式电机转子侧单元并联分流传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种两象限运行的绕线式电动机转子侧单元并联分流的传动系统。尤其是对绕线式电机转子侧通过单元并联两象限运行的定转子励磁双调节的变频控制装置。这个变频控制装置是连接在在绕线式电动机转子的引出端线上，由电网电压或者其它三相电直接供电。本变频控制系统包括：整流电路，将电网或者其他电压源的交流电整流成直流电；逆变电路，输出PWM交流电；电抗器电路，平滑输出波形;PWM调制单元，对逆变电路进行控制；刹车电路，用于电机停转的时候保护变频控制系统。通过给转子绕组施加一个或多个相序，频率，相位，幅值均可变的，且由变频器产生的三相电压源，在转子上形成一个旋转的磁场，改变旋转磁场的频率，调节定转子励磁，从而改变转子的转速。本发明具有效率高，变速简便，容量小，低能耗等特点，而且还能在定子侧补偿附近的无功滞后的负载，实现就地动态补偿。

Description

一种两象限运行绕线式电机转子侧单元并联分流传动系统

技术领域

本发明涉及绕线式电动机及控制装置组成的传动系统，尤其涉及对绕线式电机转子侧通过单元并联两象限运行的变频控制系统，对转子电流分流，进行定转子双励磁调节，在转子侧可输出转矩的同时在定子侧可对电网进行无功补偿。 

背景技术

目前，绕线式和鼠笼式电机的调速方法大多数采用定子侧连接变频器的控制方法，简称定子变频技术。电动机定子变频技术就是将工频电源经变频装置后使其频率得以改变，再向定子三相绕组供电，从而达到改变转速的目的。定子变频装置直接承受电网电压，装置容量必须为1.1～1.2倍电机额定容量或以上。变流功率大，满负荷装置效率最高为96%，负荷下降时效率更低。当承受电网电压为高压时，一种可行的定子侧变频控制系统结构是单元串联分压结构，高压变频装置内有庞大的多重化移相变压器，结构复杂，可靠性较低，维修困难，价格高，性能价格比相对较低。在转子侧设计单元并联两象限变频控制系统，没有现成的控制算法和控制系统，转子侧单元并联无需直接承受电网电压，尤其在电网电压为高压时，仅需要提供对应于定转子匝数比的电压，而且转子单元并联变频装置容量为0.5倍电机额定容量以下。因此在同样的电机容量上，当效率相同时，转子侧单元并联变频控制系统能量损耗比在定子侧连接变频装置小。尽管定子侧电压较低，转子侧两象限变频控制系统面临的问题是，转子侧电流与定子电流也大概符合定转子匝数比的关系，即转子侧电流是定子侧电流乘以定转子匝数比，因此转子侧电流比定子侧大很多，在大功率设备上，转子侧功率器件要求耐受电流过大，也是一个要解决的问题。本专利申请所提供的单元并联分流方案将变频控制装置并联，可以解决上述问题。 

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于电感性负荷，这些电设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，同时还吸收无功功率。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大。就功率因数而言,定子侧变频装置加电机，表现为感性负载，只能做到接近于1。如果负载很轻,功率因数会下降,这是定子侧变频器的特点。因此常用的方案是在电网中安装并联电容器无功补偿设备，提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送 的无功功率，但是这种方案需要庞大且昂贵的并联电容无功补偿设备。而另外一种可选择的方案是本专利申请所提供的方案，在转子侧进行两象限的变频控制，采用虚拟结构控制调节定子、转子的励磁，根据需要，使得在定子侧表现为容性或感性负载，在转子输出转矩做功的同时，就地补偿附近无功。 

发明内容

本发明的目的是提供一种方法以及用于实施该方法的设备以解决与绕线式电机加并联控制装置构成的传动系统关联的上述问题。本发明的目的是通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法和设备来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方案。 

本发明基于以下构思:根据绕线式电动机转子多套三相绕组连接拓扑，将转子三相绕组电流经电流引出装置引出到电机外，连接至并联的二象限变频控制装置。并联的二象限变频控制装置具有相同的电路拓扑及控制算法。根据转子电流的大小，可增减转子三相绕组引出的数目，并相应地增减并联装置的数目。电机带动的设备功率较大时，转子侧电流由于匝数比的关系会出现更大电流，此时需要增加电机转子侧多套三相绕组引出线的数目，并增加并联的控制装置。当电机带动的设备功率较小时，在转子侧电流可耐受的情况下，可减少电机转子侧多套三相绕组引出线的数目，并减少并联的控制装置。每个并联的变频控制装置采用虚拟结构控制，通过调节定子与转子励磁，两象限变频调速控制，定子侧与转子侧均不向电网馈电。 

每个并联的变频控制装置分别对各自的转子电流，定子电压、电流幅值和相位采用虚拟结构定转子双励磁调节内环闭环控制，并与给定转速和检测回来的转子转速求差进行虚拟结构定转子双励磁调节外环闭环控制，来修改施加在转子侧的电压。幅值和相位是通过检测转子侧的电流、定子侧的电流、电压，对电流、电压进行3/2变换求得的，转速是通过转速检测装置得到的。然后在控制系统中将检测回来的转速差、幅值、相位信号作为参考信号来使用。 

本方法和设备的优点是：承受电压低，变流功率小，更加省电，传动系统中逆变器整体容量仅为电机额定容量的50%以下。并联的每个变频控制装置主电路结构简单，由于转子绕组的连接方法不同，单个装置的容量也不同。如果绕组为完全相同的单元并联形成，那么单个装置的容量为逆变器总体容量除以控制装置个数，因此容量更低，可靠性更高。在单个变频控制装置出现故障时，可将故障装置从传动系统中切掉，其他并联控制装置及相应的电动机转子绕组正常工作，仍可提供适当转矩，因而容错性更高，传动系统安全性 更高。控制系统模块化设计，可以灵活扩展，在转子侧电流可承受的情况下，可简化为单个单元。由于电机转子侧电压要大大低于定子侧电压,使用普通电力电子器件即可胜任,从而使此传动系统成本大大低于定子侧变频的传动系统。 

本发明另外的优点是：电机转速可调范围变宽，从零速到到异步机的同步转速，然后再到电网工频转速连续可调。 

本发明还具有的优点是：在转子侧输出转矩的同时，在定子侧补偿附近的无功滞后的负载,实现就地动态补偿。 

附图说明

图1给出了根据本发明的实施例的传动系统整体结构。 

图2给出了根据本发明的实施例的转子绕组不同拓扑图。 

图3给出了根据本发明的实施例的包括4闭环控制的控制系统。 

具体实施方法 

1.图1给出了根据本发明的实施例的传动系统整体结构的示例。图1中的电机单元1中的定子绕组连接定子供电电源A、B、C。电机转子绕组2可为单套或多套三相绕组，电机转子绕组2中的三相绕组A₁、B₁、C₁通过电流引出单元3(可以为滑环和电刷或其他可以引出电流的装置)将转子电流引出连接至变频控制装置5，变频控制装置5连接至转子供电电源U、V、W；三相绕组A₂、B₂、C₂通过电流引出单元4将转子电流引出连接至变频控制装置6，变频控制装置6接至转子供电电源U、V、W，以此类推，还可以加入更多并联控制装置。 

2.在图1中，电机转子绕组2中的三相绕组的拓扑为星形连接，但也可为三角形连接，图2举例给出了三套三相转子绕组几种不同的拓扑结构。 

3.在图1中，变频控制装置5和变频控制装置6为并联的具有相同结构和控制算法的变频控制装置，详细的结构见图3。 

4.在图2中，图2(a)给出了三套三相转子绕组星形串联出线结构，图2(b)给出了三套三相转子绕组其中两套星形串联加一套星形出线结构，图2(c)给出了三套三相转子绕组星形出线结构，图2(d)给出了三套三相转子绕组串联三角形出线结构，图2(e)给出了三套三相转子绕组其中两套串联三角形加一套三角形出线结构，图2(f)给出了三套三相转子绕组三角形出线结构。转子绕组的套数和拓扑连接不仅限于图2中所示的三套三相转子绕组，而是可以随着电机转子绕组的数目变化而变化；也 不仅限于图2中所列的拓扑结构，而是可以为他们的组合。 

5.图3给出了根据本发明的实施例的变频控制装置5的示例。图2中的定转子双励磁调节虚拟结构控制器20是基于转子转速，转子电流矢量，定子电流矢量，定子电压矢量4闭环控制的。 

6.在图3中，绕线式电动机1的定子侧连接至具有A相、B相、C相的三相供电网络。此外，整流电路7连接至U相、V相、W相供电网络并且连接至转子侧逆变电路9。转子侧逆变电路9可连接至出线电抗器10，再由出线电抗器10连接至具有a相、b相、c相的绕线式电动机1的转子侧，或者转子侧逆变电路9可直接连接至具有a相、b相、c相的绕线式电动机1的转子侧。图1还给出了用于刹车电路8。 

7.在图3中，定子电压、电流检测及三二变换单元16测量的定子电流i_sA、i_sB和电压V_sA、V_sB，经过计算得出i_sC、V_sC，将这些值经过3/2变换，得到相应的二相坐标系下的i_sα、i_sβ和V_sα、V_sβ，再经过幅值相角分解单元18和19，得出定子电流相角θ_sI和幅值A_sI和定子电压相角θ_sU和幅值A_sU，然后将这些值馈送至定转子双励磁调节虚拟结构控制器20。 

8.在图3中，转子电流检测及三二变换单元14测量转子电流i_rA、i_rB，得出i_rC，将这些值经过3/2变换，得出相应的二相坐标系下的i_rα、i_rβ，再经过幅值相角分解单元17，得出转子电流相角θ_ri和幅值A_ri，然后将这些值馈送给定转子双励磁调节虚拟结构控制器20。 

9.在图3中，转子转速检测单元15测量转子转速ω_r，计算出转子频率f_r，然后与给定值频率f_ref做差得出△f，把差值馈送给定转子双励磁调节虚拟结构控制器20。 

10.在图3中，定转子双励磁调节虚拟结构控制器20根据馈送来的各个参数，计算出定子功率因数角φ_s，和转子功率因数角φ_r，结合转子转速与给定转速的差△f来给出PWM调制单元13的电压参数V_rα和V_rβ。 

11.在图3中，母线电压检测单元11检测直流母线电压U_{DC_PN}，与给定直流电压U_{DC_ref}相比较，当差值大于一定数值，制动控制单元12会发出信号S₀，驱动刹车电路8，通过电阻放电，保护直流电路电压稳定。 

12.在图3中，PWM调制单元13根据来自定转子双励磁调节虚拟结构控制器20输出的电压参数V_rα和V_rβ进行调制，向转子侧逆变电路9输出驱动信号S₁。可采用多重载 波的无死区SPWM调制和基于过渡开关状态的无死区SVPWM调制，消除死区效应，提高母线电压利用率。 

13.每个变频控制装置之间通过单元内部的并联协调控制单元23与其他变频控制装置之间进行数据通信，使每个变频控制装置都能够正常而且协调的工作。 

14.在图3中，还可以使用其他信号，而不是仅限于使用定子电压、定子电流、转子电流、转子转速，来控制转子侧逆变电路9。 

15.以上结合图1、图2、图3是基于并联的4闭环控制系统及相应的绕线式电动机描述了本发明。然而，本发明中的绕线式电动机转子绕组不限于图1、图2列出的几种情况，可以采用更多的三相绕组，采用类似的方法引出转子电流。同理，并联单元也不限于图1列出的情况，而是可以根据转子绕组引出的三相电流数目并联更多的单元或者减少并联单元数目，而且根据引出的转子电流大小不同可以并联不同功率的主副单元。同理，控制装置不限于图3列出的此4闭环。可以使用4信号中的任意几个，或者大于4个信号作为反馈值。在不同的控制系统中，与结合图1、图2、图3所使用的方法类似的方法来构造传动系统。 

16.对于本领域的技术人员而言，显然，可以以很多不同的方式实现本发明的基本构思，因此，本发明及其实施例不限于以上描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。 

Claims (11)

1.一种由绕线式电动机连接转子侧并联的两象限运行的变频控制装置组成的传动系统，传动系统包括了与并联结构相适应的绕线式电动机转子绕组外引线和电流引出装置以及并联的变频控制装置，变频控制装置包含了通过转子控制绕线式电机的控制方法和控制系统，控制系统利用转子电流，转子转速，定子电压及定子电流作为反馈变量，采用虚拟结构控制，进行定转子励磁双调节，所述的传动系统特征为绕线式电机转子的引出线上并联有由电网或者其他交流电源供电的两象限运行的变频控制装置，电机定子侧连接电网，由电网直接供电。

2.如权利要求1所述，传动系统中的绕线式电动机定转子绕组具有与并联结构相适应的绕组拓扑以及电流引出装置。

3.如权利要求1所述，传动系统中的变频控制装置具有并联分流结构。

4.如权利要求1所述的变频控制系统是电压型变频控制器，其特征在于，所述控制系统是基于转子电流，转子转速，定子电流，定子电压，但不仅限于此4参数，可以使用4参数中的任意几个，或者大于4个参数作为反馈值，通过闭环控制，进行定转子励磁双调节，所述的变频控制系统，可由交-直-交变频控制，也可有直-交变频控制。

5.如权利要求1-4所述，变频控制装置的供电系统是二相或者三相电网电压或者其他交流电压源。

6.如权利要求1-5所述，所述的变频控制装置连接的电机是绕线式异步电动机，所述的变频控制装置可以实现电机的异步，同步运行。

7.如权利要求1-6所述，转子电流形成的磁场频率与转子频率是反比例关系，其特征在于他们的和是定子磁场频率。

8.如权利要求1-7所述，所述的变频控制装置是二象限运行的变频控制装置，不是四象限变频控制装置，转子侧不向电网馈电，不会影响电网电压的稳定。

9.如权利要求1-8所述，所述的变频控制装置是由整流电路，逆变电路，出线电抗器，刹车电路，逆变控制系统组成；逆变电路包括两电平、三电平乃至多电平电路，所述的逆变电路驱动信号采用PWM调制方法生成，包括但不仅限于SPWM加死区和SVPWM加死区的调制方法，以及多重载波无死区SPWM和基于过渡开关状态的无死区SVPWM方法。

10.如权利要求1-9所述，逆变电路输出电压的相序，频率，相位，幅值均可调节。

11.如权利要求1-10所述，所述的变频控制系统相对于定子侧变频器来比，所述的变频控制系统的总体容量是所述绕线式电机额定容量的50%以下，所述的变频控制系统的输出电压是所述的绕线式电机额定电压的50%以下。

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