CN104935223A - 永磁同步电动机绕组的切换控制系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电动机绕组的切换控制系统以及方法，其至少包括：三相绕组以及三联开关，其中，所述三相绕组的六个接线端分别与外电路相连，通过控制所述三联开关的状态决定所述三相绕组的连接方式；所述三联开关可选择性地在第一状态和第二状态之间切换，当所述三联开关处于所述第一状态时，所述三相绕组为Y连接，当所述三联开关处于所述第二状态时，所述三相绕组为Δ连接。采用本发明的永磁同步电动机绕组的切换控制系统以及方法能够同时满足伺服系统低速大转矩和宽调速范围的要求。

Description

永磁同步电动机绕组的切换控制系统以及方法

技术领域

本发明涉及电动机控制领域，特别是涉及一种永磁同步电动机绕组的切换控制系统以及方法。

背景技术

众所周知，三相交流电动机的三相绕组采用Y连接或者Δ连接。一般而言，容量在4Kw以上的电机采用Δ连接，4Kw以下的电机采用Y连接。容量较大的异步电动机为了限制起动时大电流，初始起动阶段采用Y连接，电机转速到了一定值再切换为Δ连接。一些异步电动机的变极调速也采用绕组的Y/Δ连接的切换控制。因此，Y/Δ切换控制已经成功应用于异步电动机的启动和变极调速领域。

永磁同步电动机具有转矩密度高、效率高、功率因数高的优点，随着永磁材料和变频调速技术的发展，永磁同步电机已在电动汽车、数控机床、机器人等伺服系统中得到了越来越广泛地应用。相反地，异步电动机由于转矩密度低、效率低、功率因数低等缺陷，在伺服系统中其应用远不及永磁同步电动机。

对于三相同步电动机起动、调速要远比异步电动机复杂，其三相绕组的连接要么采用Y连接，要么采用Δ连接。

伺服系统对电动机的基本要求是低速时要有高的输出转矩，确保稳态精度和平稳运行；高速时调速范围要宽。而在整个运行区间要求动态响应快，因此期望电动机的最大输出转矩要大。

当绕组的连接方式不变时，永磁同步电动机在运行范围内难于满足伺服系统低速大转矩和宽调速范围的进一步要求。

因此，如何提供一种永磁同步电机绕组的切换控制系统以及方法以满足伺服系统低速大转矩和宽调速范围的要求遂成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种永磁同步电动机绕组的切换控制系统，其能够满足伺服系统在低速运行区的快速性和高速区的调速范围的扩展，进而实现电动机的平稳切换。

为了实现上述目的，本发明提供一种永磁同步电动机绕组的切换控制系统，其至少包括：三相绕组以及三联开关，其中，所述三相绕组的六个接线端分别与外电路相连，通过控制所述三联开关的状态决定所述三相绕组的连接方式。

优选地，所述三联开关可选择性地在第一状态和第二状态之间切换；进一步地，当所述三联开关处于所述第一状态时，所述三相绕组为Y连接，当所述三联开关处于所述第二状态时，所述三相绕组为Δ连接。

优选地，当所述三相绕组采用Y连接时，每一相的最大电流I_l max和最大电压U_l max由如下式决定：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{ph-max}^Y=I_{lmax}\\ U_{ph-max}^Y=\frac{U_{lmax}}{\sqrt{3}}\end{array}\right.$

优选地，当所述三相绕组采用Δ连接时，每一相的最大电流和最大电压由如下式决定：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{ph-max}^{\mathrm{\Δ}}=\frac{I_{lmax}}{\sqrt{3}}\\ U_{ph-max}^{\mathrm{\Δ}}=U_{lmax}\end{array}\right.$

本发明还提供一种永磁同步电动机绕组的切换控制方法，其特征在于，所述永磁同步电动机绕组的切换控制方法至少包括：将三相绕组的六个接线端分别与外电路相连，通过控制三联开关的状态决定所述三相绕组的连接方式。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。

附图说明

图1所示为本发明一个实施例的永磁同步电动机绕组的切换控制系统的示意图；

图2所示为图1所示实施例的永磁伺服同步电动机绕组的切换控制系统的输出特性曲线示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的结构、组件和设备未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

图1所示为本发明一个实施例的永磁同步电动机绕组的切换控制系统的示意图。如图所示，本发明的永磁同步电动机绕组的切换控制系统至少包括三相绕组以及三联开关，其中所述三相绕组的六个接线端U1、U2、V1、V2、W1、W2分别与外电路相连，通过控制所述三联开关Q的状态决定所述三相绕组的连接方式。其中，所述三联开关可选择性地在状态1和状态2之间切换。当所述三联开关Q处于状态1时，所述三相绕组为Y连接；当所述三联开关Q处于状态2时，所述三相绕组为Δ连接。

在本发明中，由于永磁同步电动机绕组的连接方式不同，会导致输出的转矩和转速范围不同。进一步地，伺服系统的输出决定于逆变器允许的每相最大线电流I_l max和最大线电压U_l max，当所述三相绕组采用Y连接时，每一相的最大电流和最大电压由如下式(1)决定：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{ph-\max }^Y=I_{l\max }\\ U_{ph-\max }^Y=\frac{U_{l\max }}{\sqrt{3}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

采用Δ连接时，每一相的最大电流和最大电压由如下式(2)决定：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{ph-\max }^{\mathrm{\Δ}}=\frac{I_{l\max }}{\sqrt{3}}\\ U_{ph-\max }^{\mathrm{\Δ}}=U_{l\max }\end{array}\right.---\left(2\right)$

电动机的相绕组电流的大小决定额定转速以下输出转矩的大小，相绕组电压的大小决定额定转速。因此根据式(1)、(2)，得到两种三相绕组连接方式之间额定转矩和额定转转速的关系。

图2所示为图1所示实施例的永磁伺服同步电动机绕组的切换控制系统的输出特性曲线示意图。

在本实施例中，永磁同步电动机的三相绕组在电机转速低于图2中的n_p时，图1中的三联开关Q处于状态1，此时所述三相绕组为Y连接；永磁同步电动机的三相绕组在电机转速高于图2中的n_p时，图1中的三联开关Q处于状态2，此时所述三相绕组为Δ连接。

进一步地，根据输出特性，当所述三相绕组为Y连接时，电动机输出的转矩大，可以确保伺服系统低速时的转速稳定性和控制精度，也提高了系统的动态响应；另一方面，在高速区，电动机采用Δ连接，比Y连接时的转速范围扩大了倍，使得伺服系统的调速范围进一步扩大。

本发明把异步电动机的起动和变极调速的Y/Δ切换控制应用于永磁同步电动机的伺服控制，并提出了绕组连接形式转换的合理切换点，满足伺服系统在低速运行区的快速性和高速区的调速范围的扩展，能够实现平稳切换，也符合当前电动机调速的基本技术条件，具有潜在的推广应用价值。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (8)

1.一种永磁同步电动机绕组的切换控制系统，其特征在于，所述永磁同步电动机绕组的切换控制系统至少包括：

三相绕组以及三联开关，

其中，所述三相绕组的六个接线端分别与外电路相连，通过控制所述三联开关的状态决定所述三相绕组的连接方式。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电动机绕组的切换控制系统，其特征在于，所述三联开关可选择性地在第一状态和第二状态之间切换。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电动机绕组的切换控制系统，其特征在于：

当所述三联开关处于所述第一状态时，所述三相绕组为Δ连接；

当所述三联开关处于所述第二状态时，所述三相绕组为Y连接。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电动机绕组的切换控制系统，其特征在于，当所述三相绕组采用Y连接时，每一相的最大电流I_lmax和最大电压U_lmax由如下式决定：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{ph-max}^Y=I_{lmax}\\ U_{ph-max}^Y=\frac{U_{lmax}}{\sqrt{3}}\end{array}\right.$

5.根据权利要求3所述的永磁同步电动机绕组的切换控制系统，其特征在于，当所述三相绕组采用Δ连接时，每一相的最大电流和最大电压由如下式决定：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{ph-max}^{\mathrm{\Δ}}=\frac{I_{lmax}}{\sqrt{3}}\\ U_{ph-max}^{\mathrm{\Δ}}=U_{lmax}\end{array}\right.$

6.一种永磁同步电动机绕组的切换控制方法，其特征在于，所述永磁同步电动机绕组的切换控制方法至少包括：

将三相绕组的六个接线端分别与外电路相连，通过控制三联开关的状态决定所述三相绕组的连接方式。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电动机绕组的切换控制方法，其特征在于，所述三联开关可选择性地在第一状态和第二状态之间切换。

8.根据权利要求6所述的永磁同步电动机绕组的切换控制方法，其特征在于：

当所述三联开关处于所述第一状态时，所述三相绕组为Y连接；

当所述三联开关处于所述第二状态时，所述三相绕组为Δ连接。