CN103780194B - 一种双馈电机的调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈电机的速度调节控制方法，采用双馈电机调速系统包括三相交流电源、双馈电机、变频器、电压电流检测装置和转速检测装置，将双馈电机三相定子绕组的首端与三相交流电源连接，尾端与变频器三相输出端连接。变频器依据给定的电机速度信号、三相交流电源的电压信号和变频器输入端输出端的电压电流及转速信号，通过改变转子绕组转差功率的大小来调节双馈电机的转子速度。本发明中变频器的三相电压输出端不需连接变压器，这样不仅减少了双馈调速系统的硬件组成，减小了占地面积，减少了系统维护工作量，而且提高了系统效率。

Description

一种双馈电机的调速控制方法

技术领域

本发明涉及一种交流感应电机的速度控制方法，特别是涉及一种双馈电机的速度调节控制方法。

背景技术

双馈电机具有调速范围宽、功率因数可控、效率高等优良特性，它被广泛应用于煤炭、石油、冶金等大功率电力拖动场合和大功率风力发电系统。双馈电机运行时，定子绕组电压和转子绕组电压的等级不同，因此，转子侧需要通过一个电力变压器来连接电网与转子回路。

由于需要转子侧变压器，因此，目前双馈电机拖动系统的硬件组成复杂，占地面积大，安装困难，增加了系统维护的工作量，同时变压器会消耗功率，系统的效率不高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种双馈电机的转子速度控制方法，以解决双馈电机速度闭环控制系统硬件结构复杂的问题，提高控制系统的可靠性和效率，减少维护工作量。

技术方案：本发明的双馈电机的调速控制方法，包括采用三相交流电源、双馈电机、变频器、电压电流检测装置和转速检测装置，调速控制方法如下：

a.将三相交流电源分别连接至双馈电机的三相定子绕组的三个首端，将三相定子绕组的三个尾端分别连接至变频器的三相电压输出端，将双馈电机的三相转子绕组的三个首端分别连接至变频器的三相电压输入端；所述双馈电机的三相定子绕组采用开路连接方式，三相转子绕组采用星型连接方式；

b.双馈电机的三相定子绕组经由首端接收三相交流电源传输的输入功率P₁，同时三相定子绕组经由尾端接收变频器传输的转子绕组的转差功率P_s，使该转差功率P_s在双馈电机的内部循环，不考虑双馈电机的损耗时，三相交流电源的输入功率P₁全部转换为双馈电机输出的机械功率P_mec，即P₁=P_mec；

c.变频器依据给定的电机速度信号、检测到的电机速度信号、三相交流电源的电压电流信号和变频器三相电压输入端与三相电压输出端的电压电流信号，通过控制变频器的三相电压输入端和三相电压输出端的电压的幅值、频率和相位，改变转子绕组转差功率P_s的大小，调节双馈电机的转子速度n达到控制要求，从而实现双馈电机的调速控制，所述双馈电机的转子速度n和转差功率P_s的控制关系为：

$n=(1-\frac{P_s}{P_{\mathrm{em}}})\×\frac{60f}{p}$

式中：f为三相交流电源频率，p为双馈电机极对数,电磁功率P_em=P_S+P_mec。

在所述三相交流电源和三相定子绕组之间设置一电压电流检测装置，在变频器的输入侧和输出侧分别设置一电压电流检测装置，且在双馈电机的转子上安装转速检测装置，这些检测装置的信号输出端分别与变频器的信号输入端连接。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明中变频器的三相电压输出端连接至三相定子绕组的尾端，三相交流电源连接至三相定子绕组的首端，变频器与三相交流电源没有直接连接，因此，变频器的输出端不需要通过变压器来输出与三相交流电源电压相匹配的电压，这样不仅减少了双馈电机调速系统的硬件组成，解决了双馈电机速度闭环控制系统硬件结构复杂的问题，减小了占地面积，减少了系统维护的工作量，而且提高控制系统的可靠性和效率。本检测方式除了有检测装置可以检测之外，还可以用传感器等其它检测方式获得转速及电压电流。其方法简单，操作方便，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的双馈电机调速方法系统图。

图2为本发明的双馈电机等效电路图。

图中：1-三相交流电源，2-电压电流检测装置一，3-双馈电机，31-双馈电机三相定子绕组，32-双馈电机三相转子绕组，4-转速检测装置，5-电压电流检测装置二，6-变频器，7-电压电流检测装置三，U₁-三相交流电源的单相电压，U_2s-变频器输出的单相电压，I₁-单相定子电流，E₁-定子绕组电势，E₂₀-转子静止时转子绕组电势，I₂-单相转子电流，s-转差率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的双馈电机的调速控制方法，包括采用三相交流电源1，电压电流检测装置一2，双馈电机3，转速检测装置4，电压电流检测装置二5，变频器6，电压电流检测装置三7，具体调速控制方法是：

a.将三相交流电源1分别连接至双馈电机3的三相定子绕组31的三个首端，将三相定子绕组31的三个尾端分别连接至变频器6的三相电压输出端，将三相转子绕组32的三个首端分别连接至变频器6的三相电压输入端；所述双馈电机3的三相定子绕组31采用开路连接方式，三相转子绕组32采用星型连接方式；

b.双馈电机3的三相定子绕组31经由首端接收三相交流电源1传输的输入功率P₁，同时三相定子绕组31经由尾端接收变频器6传输的转子绕组32的转差功率P_s，不考虑双馈电机的损耗时，双馈电机将这两部分功率（P₁+P_s）都转换为电磁功率P_em，其中，一部分电磁功率转换为转子绕组的转差功率P_s，该转差功率P_s在双馈电机内部循环，另一部分电磁功率全部转换为双馈电机输出的机械功率P_mec，即P₁=P_mec；考虑双馈电机的损耗时,转子获得的电磁功率P_em为P₁+P_s-p₀（p₀为定子损耗），转差功率P_s在双馈电机内部循环，三相交流电源1传输的输入功率P₁去除损耗后全部转换为双馈电机输出的机械功率P_mec，即P₁=P_mec+p₀；

c.在三相交流电源1和三相定子绕组31之间设置电压电流检测装置一2，变频器6的输入侧和输出侧分别设置电压电流检测装置二5和电压电流检测装置三7，双馈电机3的转子上安装转速检测装置4，转速检测装置4、压电流检测装置一2、电压电流检测装置二5和电压电流检测装置三7的信号输出端分别与变频器6的信号输入端连接；

d.变频器6依据给定的电机速度信号、检测到的电机速度信号、三相交流电源1的电压电流信号和变频器6三相电压输入端与三相电压输出端的电压电流信号，通过控制变频器6的三相电压输入端和三相电压输出端的电压的幅值、频率和相位，改变转子绕组32转差功率P_s的大小，调节双馈电机3的转子速度n达到控制要求，从而实现双馈电机的调速控制，所述双馈电机3的转子速度n和转差功率P_s的控制关系为：

$n=(1-\frac{P_s}{P_{\mathrm{em}}})\×\frac{60f}{p}$

式中：f为三相交流电源频率，p为双馈电机极对数,电磁功率P_em=P_S+P_mec。

在三相交流电源1频率为工频50Hz的闭环调速控制系统中，双馈电机3拖动恒转矩负载运转，当双馈电机3的给定转速增大时，变频器6依据给定的电机转速信号、转速检测装置4检测到的电机转速信号、电压电流检测装置一2检测到的三相交流电源的电压电流信号、电压电流检测装置二5检测到的变频器6输入端的电压电流信号和电压电流检测装置三7检测到的变频器6输出端的电压电流信号，控制变频器6三相输入端电压和三相输出端电压分别与双馈电机转子绕组32和三相交流电源1三相输出端电压的频率和相序相同，同时通过调节变频器6三相输入端与三相输出端电压的幅值和相位来减小转子绕组的转差功率P_s，从而双馈电机3的转子速度n跟随给定转速增大达到控制要求。

当双馈电机3的给定转速减小时，变频器6依据给定的电机转速信号、转速检测装置4检测到的电机转速信号、电压电流检测装置一2检测到的三相交流电源的电压电流信号、电压电流检测装置二5检测到的变频器6输入端的电压电流信号和电压电流检测装置三7检测到的变频器6输出端的电压电流信号，控制变频器6三相输入端电压和三相输出端电压分别与双馈电机转子绕组32和三相交流电源1三相输出端电压的频率和相序相同，同时通过调节变频器6三相输入端与三相输出端电压的幅值和相位来增大转子绕组的转差功率P_s，从而双馈电机3的转子速度n跟随给定转速减小达到控制要求。

图2为本发明双馈电机等效电路图，本发明的调速原理如下：

由图2所示，计算出转子获得的电磁功率P_em为转差功率P_s和输出机械功率P_mec之和，即P_em=P_s+P_mec。其中，转子中的转差功率P_s=sP_em，转子输出的机械功率P_mec=（1-s）P_em。

三相定子绕组经由首端接收三相交流电源传输的输入功率P₁，同时三相定子绕组经由尾端接收变频器传输的转子绕组的转差功率P_s，不考虑双馈电机的损耗时，双馈电机将这两部分功率（P₁+P_s）都转换为电磁功率P_em，即P_em=P_s+P₁。

由上述调速原理可知，经过变频器的控制，转差功率P_s在双馈电机的内部循环，三相交流电源传输的输入功率P₁全部转换为双馈电机输出的机械功率P_mec，即P₁=P_mec；

由图2可以计算出转子中的转差功率为：

可见，通过调节变频器输出电压U_2s的幅值大小和相位就可以改变转差功率P_s的大小；由电机知识可知，双馈电机在拖动恒转矩负载时，稳态时转子电流I₂基本维持不变；由公式（2）可知，当转差功率P_s增加时，电机的转差率s会增大，速度会减小；当转差功率P_s减少时，电机的转差率s会减小，速度会增大；双馈电机的转子速度n和转差功率P_s的控制关系如公式（3）：

$n=(1-\frac{P_s}{P_{\mathrm{em}}})\×\frac{60f}{p}---\left(3\right)$

公式（3）中f是三相交流电源的频率，p是双馈电机的极对数,电磁功率P_em=P_S+P_mec。

Claims (2)

1.一种双馈电机的调速控制方法，包括采用三相交流电源(1)、双馈电机(3)、变频器(6)、电压电流检测装置和转速检测装置(4)，其特征在于：

a.将三相交流电源(1)分别连接至双馈电机(3)的三相定子绕组(31)的三个首端，将三相定子绕组(31)的三个尾端分别连接至变频器(6)的三相电压输出端，将双馈电机(3)的三相转子绕组(32)的三个首端分别连接至变频器(6)的三相电压输入端；所述双馈电机(3)的三相定子绕组(31)采用开路连接方式，三相转子绕组(32)采用星型连接方式；

b.双馈电机(3)的三相定子绕组(31)经由首端接收三相交流电源(1)传输的输入功率P₁，同时三相定子绕组(31)经由尾端接收变频器(6)传输的转子绕组(32)的转差功率P_s，使该转差功率P_s在双馈电机(3)的内部循环，不考虑双馈电机的损耗时，三相交流电源(1)的输入功率P₁全部转换为双馈电机(3)输出的机械功率P_mec，即P₁＝P_mec；

c.变频器(6)依据给定的电机速度信号、检测到的电机速度信号、三相交流电源(1)的电压电流信号和变频器(6)三相电压输入端与三相电压输出端的电压电流信号，通过控制变频器(6)的三相电压输入端和三相电压输出端的电压的幅值、频率和相位，改变转子绕组(32)转差功率P_s的大小，调节双馈电机(3)的转子速度n达到控制要求，从而实现双馈电机的调速控制，所述双馈电机(3)的转子速度n和转差功率P_s的控制关系为：

$n=(1-\frac{P_s}{P_{em}})\×\frac{60f}{p}$

式中：f为三相交流电源频率，p为双馈电机极对数,电磁功率P_em＝P_S+P_mec。

2.根据权利要求1中所述的一种双馈电机的调速控制方法，其特征在于：在所述三相交流电源(1)和三相定子绕组(31)之间设置一电压电流检测装置，在变频器(6)的输入侧和输出侧分别设置一电压电流检测装置，且在双馈电机(3)的转子上安装转速检测装置(4)，这些检测装置的信号输出端分别与变频器(6)的信号输入端连接。