CN105391356A - 无刷双馈电机启动控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无刷双馈电机启动控制方法，包括：对变频器进行软启动；控制所述变频器中的全桥逆变电路中的上桥臂或者下桥臂同步导通，从而短接无刷双馈电机的控制绕组；对所述无刷双馈电机中的功率绕组供电开始异步启动；将完成异步启动时所述无刷双馈电机的转速作为双馈同步运行转速；控制所述变频器输出与所述双馈同步运行转速对应的频率，并控制所述变频器向所述控制绕组供电使得所述无刷双馈电机进入同步运行状态；控制所述变频器逐步减小输出频率直至无刷双馈电机的转速达到自然同步转速，完成启动过程。上述无刷双馈电机启动控制方法有利于减小设备成本和体积。本发明还涉及一种无刷双馈电机启动控制系统。

Description

无刷双馈电机启动控制系统和方法
技术领域
本发明涉及无刷双馈电机启动技术领域，特别是涉及一种无刷双馈电机启动控制系统和方法。
背景技术
无刷双馈电机是一种新型电机。无刷双馈电机从级联电机演化而来，通过两套定子绕组(分别为功率绕组和控制绕组)加特殊设计的转子来实现无电刷结构，从而提高电机可靠性。无刷双馈电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。作为电动机运行时，涉及启动问题。无刷双馈电机的启动是指电机从转速为0到转速为电机自然同步速nN的过程。
传统的无刷双馈电动机起动方式分为同步起动和异步起动。同步起动是无刷双馈电动机两套定子绕组同时加激励源，此时电机表现出同步电机特性。具体是功率绕组加工频电源激励，控制绕组加变频电源激励，控制绕组频率从-50Hz增加到0Hz，相应电机转速就能从0增加到nN，从而起动电机。同步起动的问题在于需要全功率的变频器，这与无刷双馈电动机能够使用部分容量变频器控制的初衷相违背，所以主流的起动方式是异步起动。
异步起动是指无刷双馈电机两套定子绕组只有一套绕组加激励源，另一套绕组短接。此时电机符合异步电机特性。传统的大功率无刷双馈电动机异步起动采用控制绕组串联频敏电阻或者变电阻的方法，而小功率无刷双馈电动机采取直接在控制绕组上加短接接触器的方法。传统的异步启动过程，无论是在控制绕组串联频敏电阻或者变电阻，还是增加短接接触器，都会增大设备体积且增加成本。
发明内容
基于此，有必要提供一种有利于减小设备成本和体积的无刷双馈电机启动控制系统和方法。
一种无刷双馈电机启动控制方法，包括：对变频器进行软启动；控制所述变频器中的全桥逆变电路中的上桥臂或者下桥臂同步导通，从而短接无刷双馈电机的控制绕组；对所述无刷双馈电机中的功率绕组供电开始异步启动；将完成异步启动时所述无刷双馈电机的转速作为双馈同步运行转速；控制所述变频器输出与所述双馈同步运行转速对应的频率，并控制所述变频器向所述控制绕组供电使得所述无刷双馈电机进入同步运行状态；控制所述变频器逐步减小输出频率直至无刷双馈电机的转速达到自然同步转速，完成启动过程。
在其中一个实施例中，所述对变频器进行软启动的步骤包括：控制变频器的软启动电路工作并向所述变频器供电；实时检测所述变频器所在的母线电压；判断所述母线电压是否大于或等于预设值；若是，则控制所述变频器的软启动电路停止工作。
在其中一个实施例中，所述对所述无刷双馈电机中的功率绕组供电开始异步启动的步骤还包括：对所述全桥逆变电路中的功率器件的开关频率以及上桥臂或者下桥臂的同步导通比进行调整。
在其中一个实施例中，所述开关频率为3千赫兹，所述同步导通比为0.4。
在其中一个实施例中，还包括步骤：检测所述变频器所在的母线电压；根据所述母线电压对制动电路中的开关器件的占空比进行调整直至母线电压稳定。
一种无刷双馈电机启动控制系统，用于对无刷双馈电机的启动进行控制，所述无刷双馈电机包括控制绕组和功率绕组，启动控制系统包括变频器、第一接触器、第二接触器、转速检测电路以及控制装置；所述变频器通过所述第一接触器与供电电源连接；所述变频器包括全桥逆变电路，用于与所述控制绕组连接；所述功率绕组通过所述第二接触器与工频电源连接；所述转速检测电路用于对所述无刷双馈电机的转速进行检测并输出给控制装置；所述控制装置用于控制所述第一接触器闭合，并控制所述变频器进行软启动；所述控制装置在所述变频器完成软启动后控制所述全桥逆变电路中的上桥臂或者下桥臂同步导通，从而短接所述控制绕组；所述控制装置还用于在所述控制绕组短接后控制所述第第二接触器闭合，从而使得工频电源向功率绕组供电开始异步启动；所述控制装置还用于将完成异步启动时所述无刷双馈电机的转速作为双馈同步运行转速；所述控制装置还用于控制所述变频器输出与所述双馈同步运行转速对应的频率，并控制所述变频器向所述控制绕组供电使得所述无刷双馈电机进入同步运行状态；所述控制装置还用于控制所述变频器逐步减小输出频率直至无刷双馈电机的转速达到自然同步转速，完成启动过程。
在其中一个实施例中，所述变频器还包括第三接触器、软启动电路、母线电容；所述软启动电路和所述第三接触器并联设置；所述母线电容与母线连接，用于对母线电压进行检测；所述控制装置用于控制第三接触器断开从而控制所述软启动电路工作，并根据母线电容上检测到的电压值判断母线电压是否大于或等于预设值；所述控制装置还用于在母线电压大于或者等于预设值时控制第三接触器闭合，从而控制软启动电路停止工作。
在其中一个实施例中，所述控制装置还用于对所述全桥逆变电路中的功率器件的开关频率以及上桥臂或者下桥臂的同步导通占空比进行调整。
在其中一个实施例中，所述开关频率为3千赫兹，所述同步导通占空比为0.4。
在其中一个实施例中，所述变频器还包括制动电路；所述制动电路包括开关器件；所述开关器件的输入和输出端分别与所述全桥逆变电路的输入端和输出端连接；所述开关器件的控制端与所述控制装置连接；所述控制装置还用于根据所述母线电容检测到的母线电压对所述开关器件的占空比进行调整直至母线电压稳定。
上述无刷双馈电机启动控制方法和系统，通过控制变频器中的全桥逆变电路中的上桥臂或者下桥臂同时导通实现控制绕组的短接，从而无需再在控制绕组上增加频敏电阻、变电阻或者增加短接接触器即可实现无刷双馈电机的软启动，有利于减小设备成本和体积。
附图说明
图1为一实施例中的无刷双馈电机启动控制系统的结构示意图；
图2为一实施例中的无刷双馈电机启动控制方法的流程图；
图3为图2所示的步骤S210的流程图；
图4A为30kW无刷双馈电机直接短接启动时的功率绕组电流波形；
图4B为30kW无刷双馈电机直接短接启动时的控制绕组电流波形；
图5A为30kW无刷双馈电机采用本实施例中的启动控制方法启动时的功率绕组电流波形；
图5B为30kW无刷双馈电机采用本实施例中的启动控制方法启动时的控制绕组电流波形；
图6则为30kW无刷双馈电机采用本实施例中的启动控制方法启动时的母线电压波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种无刷双馈电机启动控制系统，可以利用传统的变频器实现电机的异步启动，而无需在控制绕组上增加频敏电阻、变电阻或者增加短接接触器，不会增加设备成本和体积。图1为一实施例中的无刷双馈电机启动控制系统的结构示意图。该无刷双馈电机启动控制系统包括变频器110、第一接触器KM1、第二接触器KM2、转速检测电路(图中未示)以及控制装置(图中未示)。
变频器110通过第一接触器KM1与控制绕组供电电源Uc连接，从而可以根据第一接触器KM1的开合状态实现对变频器110供电的控制。无刷双馈电机BDFM的功率绕组通过第二接触器KM2与工频电源Up连接，从而可以根据第二接触器KM2的开合状态实现对功率绕组供电的控制。在本实施例中，工频电源Up和控制绕组供电电源Uc均为市电，其频率为50Hz。
变频器110包括第三接触器KM3、软启动电路112、电抗器L、全桥不控整流电路VR、母线电容C、制动电路114以及全桥逆变电路V1。具体地，第一接触器KM1、第三接触器KM3、电抗器L、全桥不控整流电路VR、母线电容C、制动电路114以及全桥逆变电路V1顺次连接，且全桥逆变电路V1与控制绕组Pc连接。软启动电路112则与第三接触器KM3并联设置，从而根据第三接触器KM3的开合状态可以实现对软启动电路112的工作状态的控制。在本实施例中，软启动电路112中包括对称分布在三相线上的软启动电阻R。软启动电路112工作时，可以实现变频器110的软启动，从而避免变频器110启动时的大电流对设备造成损坏。母线电容C与正负母线连接，用于对母线电压进行检测。制动电路114包括开关器件VT0和电阻R0。其中，开关器件VT0的输入端与正母线连接，输出端则串联电阻R0后与负母线连接。开关器件VT0的控制端则与控制装置连接。控制装置可以根据母线电容C检测到的电压值对开关器件VT0的占空比进行调整以使得母线电压稳定。全桥逆变电路V1中的功率器件的控制端与控制装置连接，从而使得控制装置可以对全桥逆变电路V1中的功率器件的开关频率以及占空比进行调整。
控制装置用于对无刷双馈电机启动过程进行控制，从而实现无刷双馈电机的异步启动，即控制装置用于执行无刷双馈电机启动控制方法来实现对无刷双馈电机的异步启动控制。图2为一实施例中的无刷双馈电机启动控制方法的流程图，该无刷双馈电机启动控制方法包括以下步骤。
S210，对变频器进行软启动。
先对变频器进行软启动，可以避免变频器启动过程造成的大电流对设备造成损坏。对变频器进行软启动的流程如图3所示，包括步骤S310～340。
S310，控制变频器的软启动电路工作并向变频器供电。
具体地，控制装置控制第一接触器KM1闭合，并控制第二接触器KM2和第三接触器KM3断开，从而使得软启动电路112接入到电路中。控制绕组供电电源Uc的电流经过软启动电路112向变频器110供电。
S320，实时检测变频器所在的母线电压。
在本实施例中，通过母线电容C可以实现对母线电压的实时检测。在其他的实施例中，也可以通过相应的电压检测器件如电压互感器等对母线电压进行实时检测。
S330，判断母线电压是否大于或等于预设值。
预设值可以为变频器110正常工作时的母线上的电压值。通过对母线电压进行判断，可以确认变频器110的软启动是否完成。若母线电压大于或者等于预设值则执行步骤S340，否则继续执行S320。
S340，控制变频器的软启动电路停止工作。
当变频器110的软启动完成后，控制第三接触器KM3闭合，从而断开软启动电路112，软启动电路112停止工作。
S220，控制变频器中的全桥逆变电路中的上桥臂或者下桥臂同步导通，从而短接无刷双馈电机的控制绕组。
要实现无刷双馈电机的异步启动，需要先将控制绕组Pc进行短接，而仅由工频电源Up对功率绕组进行供电，实现功率绕组的异步启动。在本实施例中，，无需在控制绕组上增加频敏电阻、变电阻或者增加短接接触器来实现控制绕组的短接，而仅通过控制变频器110中的全桥逆变电路V1中的上桥臂或者下桥臂同步导通即可实现控制绕组的短接。在本实施例中，控制装置控制全桥逆变电路V1的上桥臂全部关断，下桥臂同步导通，从而实现控制绕组的短接。
S230，对无刷双馈电机中的功率绕组供电开始异步启动。
在完成无刷双馈电机中的控制绕组的短接后，闭合第二接触器KM2，从而使得工频电源Up向功率绕组供电，开始异步启动。在异步启动过程中，控制装置还可以对全桥逆变电路V1中的功率器件的开关频率以及同步导通占空比进行调整，来改变控制绕组等效阻抗值大小，使得控制绕组电流可控，大幅降低电机起动时的定子绕组电流，实现电机软启动功能。在本实施例中，开关频率为3KHz，下桥臂的同步导通占空比为0.4，上桥臂全部关断。在其他的实施例中，可以根据实际需要控制的电流大小对开关频率以及同步导通占空比进行调整。
S240，将完成异步启动时无刷双馈电机的转速作为双馈同步运行转速。
当无刷双馈电机完成异步启动时，电机的转速处于稳定状态。由于电机的整个启动时间较短，因此当电机转速稳定在某一转速超过预设时间(一般为毫秒级)则可以认为电机完成了异步启动。电机的转速处于稳定状态时，其转速接近与自然同步转速nN。将异步运行时的稳定转速作为双馈同步运行转速nr。
S250，控制变频器输出与双馈同步运行转速对应的频率，并控制变频器向控制绕组供电使得无刷双馈电机进入同步运行状态。
采用双馈同步运行速度nr的计算公式就可以根据双馈同步运行转速nr计算出变频器110需要输出的频率fc。计算双馈同步运行速度nr的公式如下：
n r = 60 × f c + f p P p + P c - - - ( 1 )
公式(1)中，fp表示控制绕组的电源频率，即工频电源Up的频率，fc则表示变频器110输出的频率，Pp表示功率绕组的极对数，Pc表示控制绕组的极对数。根据公式(1)就可以确定出变频器110需要输出的频率fc。因此根据计算得出的频率fc对变频器110的输出进行调整后，控制变频器110向控制绕组Pc正常供电，即全桥逆变电路V1正常导通，从而使得功率绕组和控制绕组均进入运行状态，即电机进入同步运行状态。
S260，控制变频器逐步减小输出频率直至无刷双馈电机的转速达到自然同步转速，完成启动过程。
逐步减小变频器110的输出频率fc，当变频器110的输出频率fc为零时，即变频器只输出直流激励时，无刷双馈电机的转速达到自然同步转速nN，从而完成启动过程。在其他的实施例中，也可以根据无刷双馈电机实际需要运行的转速对变频器110的输出频率fc进行调整，从而使得电机转速达到实际需要的转速，完成启动过程。
上述无刷双馈电机启动控制系统和方法，通过控制现有变频器110中的全桥逆变电路中V1的上桥臂或者下桥臂同时导通实现控制绕组的短接，从而无需再在控制绕组上增加频敏电阻、变电阻或者增加短接接触器即可实现无刷双馈电机的软启动，可以有效缩减设备成本和体积。并且，在无刷双馈电机的功率绕组接通工频电源(即开始异步启动)后，通过控制变频器110中全桥逆变单元V1的上桥臂或是下桥臂同步导通占空比大小来改变控制绕组等效阻抗值大小，使得控制绕组电流可控，大幅降低电机起动时的定子绕组电流，从而实现电机软启动功能。上述无刷双馈电机启动控制方法和系统，可适用于各种容量的无刷双馈电机的起动。
下面结合实验数据对本案中的无刷双馈电机启动控制方法的有益效果做进一步的说明。图4A为30kW无刷双馈电机直接短接启动时的(即传统的启动方法)功率绕组电流波形，图4B为30kW无刷双馈电机直接短接启动时的控制绕组电流波形。从图4A～4B中可以知道，无刷双馈电机采用传统的短接方式进行启动过程中，功率绕组的电流峰值在120A左右，为控制电流的5～6倍，控制绕组的峰值电流也在100A左右。如此大的电流会对电源产生冲击，同时会在线路和电机内部产生损耗引起发热。图5A为30kW无刷双馈电机采用本实施例中的启动控制方法启动时的功率绕组电流波形，图5B为30kW无刷双馈电机采用本实施例中的启动控制方法启动时的控制绕组电流波形。从图5A～5B中可以看出，采用本实施例中的启动控制方法后，控制绕组电流在电机启动0.2S内迅速降低到0A左右，功率绕组电流同时也降低到空载电流大小水平。图6则为30kW无刷双馈电机采用本实施例中的启动控制方法启动时的母线电压波形。显然，由于启动过程中制动电路114发挥作用，维持了母线电压稳定。综上，本实施例中的无刷双馈电机启动控制方法能大幅降低无刷双馈电机起动时的功率绕组和控制绕组电流，实现电机的软起动，替代需要串入控制绕组的起动电阻，有效缩减控制设备的成本和体积。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无刷双馈电机启动控制方法，包括：
对变频器进行软启动；
控制所述变频器中的全桥逆变电路中的上桥臂或者下桥臂同步导通，从而短接无刷双馈电机的控制绕组；
对所述无刷双馈电机中的功率绕组供电开始异步启动；
将完成异步启动时所述无刷双馈电机的转速作为双馈同步运行转速；
控制所述变频器输出与所述双馈同步运行转速对应的频率，并控制所述变频器向所述控制绕组供电使得所述无刷双馈电机进入同步运行状态；
控制所述变频器逐步减小输出频率直至无刷双馈电机的转速达到自然同步转速，完成启动过程。
2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机启动控制方法，其特征在于，所述对变频器进行软启动的步骤包括：
控制变频器的软启动电路工作并向所述变频器供电；
实时检测所述变频器所在的母线电压；
判断所述母线电压是否大于或等于预设值；
若是，则控制所述变频器的软启动电路停止工作。
3.根据权利要求1所述的无刷双馈电机启动控制方法，其特征在于，所述对所述无刷双馈电机中的功率绕组供电开始异步启动的步骤还包括：
对所述全桥逆变电路中的功率器件的开关频率以及上桥臂或者下桥臂的同步导通比进行调整。
4.根据权利要求3所述的无刷双馈电机启动控制方法，其特征在于，所述开关频率为3千赫兹，所述同步导通比为0.4。
5.根据权利要求1所述的无刷双馈电机启动控制方法，其特征在于，还包括步骤：
检测所述变频器所在的母线电压；
根据所述母线电压对制动电路中的开关器件的占空比进行调整直至母线电压稳定。
6.一种无刷双馈电机启动控制系统，用于对无刷双馈电机的启动进行控制，所述无刷双馈电机包括控制绕组和功率绕组，其特征在于，启动控制系统包括变频器、第一接触器、第二接触器、转速检测电路以及控制装置；所述变频器通过所述第一接触器与供电电源连接；所述变频器包括全桥逆变电路，用于与所述控制绕组连接；所述功率绕组通过所述第二接触器与工频电源连接；所述转速检测电路用于对所述无刷双馈电机的转速进行检测并输出给控制装置；
所述控制装置用于控制所述第一接触器闭合，并控制所述变频器进行软启动；所述控制装置在所述变频器完成软启动后控制所述全桥逆变电路中的上桥臂或者下桥臂同步导通，从而短接所述控制绕组；
所述控制装置还用于在所述控制绕组短接后控制所述第第二接触器闭合，从而使得工频电源向功率绕组供电开始异步启动；
所述控制装置还用于将完成异步启动时所述无刷双馈电机的转速作为双馈同步运行转速；
所述控制装置还用于控制所述变频器输出与所述双馈同步运行转速对应的频率，并控制所述变频器向所述控制绕组供电使得所述无刷双馈电机进入同步运行状态；
所述控制装置还用于控制所述变频器逐步减小输出频率直至无刷双馈电机的转速达到自然同步转速，完成启动过程。
7.根据权利要求6所述的无刷双馈电机启动控制系统，其特征在于，所述变频器还包括第三接触器、软启动电路、母线电容；所述软启动电路和所述第三接触器并联设置；所述母线电容与母线连接，用于对母线电压进行检测；
所述控制装置用于控制第三接触器断开从而控制所述软启动电路工作，并根据母线电容上检测到的电压值判断母线电压是否大于或等于预设值；所述控制装置还用于在母线电压大于或者等于预设值时控制第三接触器闭合，从而控制软启动电路停止工作。
8.根据权利要求6所述的无刷双馈电机启动控制系统，其特征在于，所述控制装置还用于对所述全桥逆变电路中的功率器件的开关频率以及上桥臂或者下桥臂的同步导通占空比进行调整。
9.根据权利要求8所述的无刷双馈电机启动控制系统，其特征在于，所述开关频率为3千赫兹，所述同步导通占空比为0.4。
10.根据权利要求7所述的无刷双馈电机启动控制系统，其特征在于，所述变频器还包括制动电路；所述制动电路包括开关器件；所述开关器件的输入和输出端分别与所述全桥逆变电路的输入端和输出端连接；所述开关器件的控制端与所述控制装置连接；
所述控制装置还用于根据所述母线电容检测到的母线电压对所述开关器件的占空比进行调整直至母线电压稳定。
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