CN106026800B

CN106026800B - 一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统

Info

Publication number: CN106026800B
Application number: CN201610327710.4A
Authority: CN
Inventors: 冯江华; 尚敬; 胡家喜; 许峻峰; 何亚屏; 王婷; 文宇良; 姚大为; 曾小凡; 韩志成
Original assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2016-05-17
Filing date: 2016-05-17
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2036-05-17
Also published as: CN106026800A

Abstract

本发明公开了一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统，包括具有N组三相绕组的永磁电机、控制装置以及N个变频设备，N个变频设备的输入端分别与电网相连，N个变频设备的输出端分别与永磁电机的N组三相绕组对应相连，N不小于2，其中：控制装置，用于分别获得永磁电机中各组三相绕组的位置信号以及速度信号，并将各组三相绕组的位置信号以及速度信号发送至对应的变频设备；N个变频设备，用于分别根据位置信号以及速度信号为N组三相绕组提供相应的电压。本发明在需要永磁电机提供大功率时，不需要增加永磁电机的数量，尽可能避免了大功率的空调变频传动系统出现体积过大的问题。

Description

一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统

技术领域

本发明涉及多绕组电机技术领域，特别是涉及一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统。

背景技术

在现有的空调变频传动系统中，多采用单绕组永磁电机，即永磁电机仅包括有一组三相绕组，但是由于单绕组永磁电机能够输出的功率有限，一旦需要输出大功率，就需要在该系统中增加永磁电机的数量，导致空调变频传动系统的体积过大。

因此，如何解决由于永磁电机输出功率有限而导致的空调变频传动系统的体积过大的问题是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统，当需要永磁电机提供大功率时，不需要增加永磁电机的数量，尽可能避免了大功率的空调变频传动系统出现体积过大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统，包括具有N组三相绕组的永磁电机、控制装置以及N个变频设备，N个所述变频设备的输入端分别与电网相连，N个所述变频设备的输出端分别与所述永磁电机的N组所述三相绕组对应相连，N不小于2，其中：

所述控制装置，用于分别获得所述永磁电机中各组所述三相绕组的位置信号以及速度信号，并将各组所述三相绕组的所述位置信号以及所述速度信号发送至对应的所述变频设备；

N个所述变频设备，用于分别根据所述位置信号以及所述速度信号为N组所述三相绕组提供相应的电压。

优选地，所述控制装置包括：

机械传感器，用于采集各组所述三相绕组的所述位置信号以及所述速度信号。

优选地，所述控制装置包括：

电流电压传感器，用于采集各组所述三相绕组的电流信号以及电压信号；

估算模块，用于根据各组所述三相绕组的所述电流信号以及所述电压信号进行估算处理，得到各组所述三相绕组的所述位置信号以及所述速度信号。

优选地，所述控制装置还包括：

电流均衡单元，用于获取各组所述三相绕组的电流值；分别对各组所述三相绕组的所述电流值进行PI控制，得到各组所述三相绕组的电流控制量；

输入均匀分配单元，用于根据所述控制装置内预先给定的状态量以及各组所述三相绕组的所述电流控制量进行均衡控制，得到对应于各组所述三相绕组的控制信号并发送至对应于各组所述三相绕组的所述变频设备，使各个所述变频设备输出的电流值以及状态量保持相同，其中，所述状态量包括转矩、电流、电压以及转速中的一种或多种。

优选地，还包括：

N个三相调度开关，N个所述三相调度开关的第一端均与所述电网相连，N个所述三相调度开关的第二端分别与N个所述变频设备的输入端相连；

N个三相保护开关，N个所述三相保护开关的第一端分别与N个所述变频设备的输出端相连，N个所述三相保护开关的第二端分别与所述永磁电机的N组所述三相绕组相连。

优选地，所述控制装置还包括：

第一判断单元，用于获取所述三相绕组的电流值，当所述电流值大于给定安全值时，判断所述电流值大于所述安全值的持续时间是否超出预设时间范围，如果是，则触发第二判断单元；

所述第二判断单元，用于获取并判断所述永磁电机的反电动势是否超出预设安全电压值，如果是，断开所述三相绕组对应的所述三相调度开关以及所述三相保护开关；否则，断开所述三相绕组对应的所述三相调度开关。

优选地，所述第一判断单元还用于：

当有两组以上所述三相绕组的电流值大于所述给定安全值时，对所述控制装置内的所述预先给定的状态量进行限制调整。

优选地，所述变频设备包括：

整流模块，用于将所述电网输入的三相交流电转变为直流电；

逆变模块，用于将所述整流模块输出的所述直流电转变为所述永磁电机需要的交流电并输出至相应的所述三相绕组；

直流支撑电容，用于支撑所述整流模块以及所述逆变模块之间的能量传输。

优选地，还包括：

作为冗余电源的新能源供电装置，所述新能源供电装置的两个输出端分别与所述直流支撑电容的两端相连。

优选地，所述新能源供电装置为太阳能供电装置、地热能供电装置、风能供电装置、海洋能供电装置或生物质能供电装置中的任一种。

本发明提供了一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统，该系统采用包括有N组三相绕组的永磁电机，N不小于2，每组三相绕组分别与一个变频设备相连，并由控制装置来控制各个变频设备为与其相连的三相绕组提供相应的电压。本发明采用的多绕组永磁电机，与单绕组永磁电机相比，能够提供的功率更大，当需要永磁电机提供大功率时，本发明不需要增加永磁电机的数量，而是仅需要选择具有合适数量的三相绕组的永磁电机即可，尽可能避免了大功率的空调变频传动系统出现体积过大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统中的电流均衡单元的控制示意图；

图3本发明提供的另一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统中的输入均匀分配单元的控制示意图；

图4为本发明提供的另一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统的电路示意图。

其中，图4中：

QF1～QFN—三相调度开关、QM1～QMN—三相保护开关。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统，当需要永磁电机提供大功率时，不需要增加永磁电机的数量，尽可能避免了大功率的空调变频传动系统出现体积过大的问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明提供了一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统，参见图1所示，图1为本发明提供的一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统的结构示意图；

该系统包括具有N组三相绕组的永磁电机13、控制装置12以及N个变频设备11，N个变频设备11的输入端分别与电网相连，N个变频设备11的输出端分别与永磁电机13的N组三相绕组对应相连，N不小于2，其中：

控制装置12，用于分别获得永磁电机13中各组三相绕组的位置信号以及速度信号，并将各组三相绕组的位置信号以及速度信号发送至对应的变频设备11；

N个变频设备11，用于分别根据位置信号以及速度信号为N组三相绕组提供相应的电压。

实施例二

基于实施例一的基础上，本发明还提供了另一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统；其中，这里的控制装置12包括：

机械传感器，用于采集各组三相绕组的位置信号以及速度信号。

进一步可知，这里的机械传感器为旋转变压器或增量式编码器或其他类型的速度及位置传感器。

另外，当控制装置12内不包括有机械传感器时，控制装置12包括：

电流电压传感器，用于采集各组三相绕组的电流信号以及电压信号；

估算模块，用于根据各组三相绕组的电流信号以及电压信号进行估算处理，得到各组三相绕组的位置信号以及速度信号。

可以理解的是，由于控制装置12需要将各组三相绕组的位置信号以及速度信号发送至对应的变频设备11，故控制装置12可以分别与各个变频设备11相连。或者控制装置12可以选择仅与距离自身最近的变频设备11相连(这里可以采用串口连接)，将该变频设备11编号为一，之后，第一变频设备11通过网口与第二变频设备11相连，第二变频设备11通过串口与第三变频设备11相连，依次连接至第N变频设备11(具体哪个变频设备11对应哪个编号，可由实际情况而定)，然后控制装置12可以通过多个变频设备11间接的将信号发送至对应的变频设备11，这种方式能够避免控制装置12同时与N个变频设备11相连而导致的连线过复杂以及控制装置12上需要设置过多连接口(串口或网口)的问题。当然，本发明并不限制控制装置12采用网口还是串口与变频设备11相连，也不限制变频设备11之间通过网口还是串口连接，只要能够实现信号传输的目的的连接方式均在本发明的保护范围之内。

作为优选地，控制装置12还包括：

电流均衡单元，用于获取各组三相绕组的电流值；分别对各组三相绕组的电流值进行PI控制，得到各组三相绕组的电流控制量；

输入均匀分配单元，用于根据控制装置12内预先给定的状态量以及各组三相绕组的电流控制量进行均衡控制，得到对应于各组三相绕组的控制信号并发送至对应于各组三相绕组的变频设备11，使各个变频设备11输出的电流值以及状态量保持相同，其中，状态量包括转矩、电流、电压以及转速中的一种或多种。

其中，电流均衡单元采集每组三相绕组的电流值i_u,i_v，并利用clark-park变换关系式得到dq坐标系下的电流值(由于该变换还需要各组三相绕组的位置信号，故电流均衡单元也需要获得各组三相绕组的位置信号)，clark-park变换关系式为：

(i_d,i_q)＝park-clark(i_u,i_v)

其中，第k组三相绕组的电流值为：

根据各组三相绕组的电流值以及电流平均关系式得到电流平均值，其中电流平均关系式为：

通过PI控制器，输出能够使每组三相绕组的电流值等于电流平均值的电流控制量，参见图2所示，图2为本发明提供的另一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统中的电流均衡单元的控制示意图；控制关系式如下所示：

其中，y_{k_out}为电流均衡单元输出至第k组三相绕组的电流控制量。

另外，参见图3所示，图3本发明提供的另一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统中的输入均匀分配单元的控制示意图。本发明将根据输入均匀分配单元输入的状态量的不同分为4种情况，借助切换函数进行模式(m为模式因子)选择，其中：

(1)如果输入的状态量是转矩T_{ein_k}，此时模式m＝1；根据电流均衡单元输出的电流控制量、转矩以及第一关系式输出控制信号F_{in_k}，第一关系式如下：

F_{in_k}＝T_{ein_k}+y_{out_k}

(2)如果输入的状态量是电流i_{sin_k}，此时模式m＝2；采用低通滤波的方式，提取当前时刻电流均衡单元输出的电流控制量y_{out_k}(K)，前一时刻根据电流均衡单元输出的电流控制量y_{out_k}(K-1)，并引入滤波系数a_i,b_i，其中，0.95＜a_i＜1，a_i+b_i＝1，根据第二关系式输出控制信号F_{in_k}，第二关系式如下：

F_{in_k}＝i_{sin_k}+a_i×y_{out_k}(K)+b_i×y_{out_k}(K-1)

(3)如果输入的状态量是电压u_{sin_k}，此时模式m＝3；采用低通滤波的方式，提取当前时刻电流均衡单元输出的电流控制量y_{out_k}(K)，前一时刻根据电流均衡单元输出的电流控制量y_{out_k}(K-1)，并引入滤波系数a_u,b_u，其中，0.995＜a_u＜1，a_u+b_u＝1，根据第三关系式输出控制信号F_{in_k}，第三关系式如下：

F_{in_k}＝i_{sin_k}+a_u×y_{out_k}(K)+b_u×y_{out_k}(K-1)

(4)如果输入的状态量是转速ω_{ein_k}，此时模式m＝4；根据电流均衡单元输出的电流控制量、转速以及第四关系式输出控制信号F_{in_k}，第四关系式如下：

-|y_{out_k}|＜F_{in_k}＜|y_{out_k}|。

可以理解的是，由于本发明中的永磁电机13包括多组三相绕组，故可能出现各组三相绕组上的电流不一致的情况，该情况会影响永磁电机13的正常工作，且由于永磁电机13会带动压缩机工作，若永磁电机13的各组三相绕组的电流不平衡也会影响压缩机的正常工作。而电流均衡单元能够调整变频设备11使其输出至各组三相绕组的电流保持一致，同时，输入均匀分配单元能够根据输入的不同状态量来实现各组三相绕组对应的变频设备11在不同状态量下的实时动态调整，使各个变频设备11输出的状态量均为预先给定的状态量的1/N，故通过以上两个单元的控制，能够保证各组三相绕组之间达到状态平衡。

作为优选地，该系统还包括：

N个三相调度开关，N个三相调度开关的第一端均与电网相连，N个三相调度开关的第二端分别与N个变频设备11的输入端相连；

N个三相保护开关，N个三相保护开关的第一端分别与N个变频设备11的输出端相连，N个三相保护开关的第二端分别与永磁电机13的N组三相绕组相连。

可以理解的是，增加三相调度开关以及三相保护开关后，在当永磁电机13的三相绕组或者变频设备11出现故障时，可以通过断开三相调度开关和/或三相保护开关来将发生故障的三相绕组或变频设备11隔离出电路，避免故障的三相绕组或变频设备11对电路造成影响。当然，具体选择断开哪些三相调度开关以及三相保护开关，以及如何控制断开上述开关本发明均不作限定，可由实际情况决定。

其中，这里的三相调度开关可设置在配电柜内或单独配置，当然，本发明对此不作限定。

进一步可知，当空调变频传动系统内设置有三相调度开关以及三相保护开关时，这里的控制装置12还包括：

第一判断单元，用于获取三相绕组的电流值，当电流值大于给定安全值时，判断电流值大于安全值的持续时间是否超出预设时间范围，如果是，则触发第二判断单元；

第二判断单元，用于获取并判断永磁电机13的反电动势是否超出预设安全电压值，如果是，断开三相绕组对应的三相调度开关以及三相保护开关；否则，断开三相绕组对应的三相调度开关。

其中，这里预设安全电压值可以为36V。当然，本发明对给定安全值、预设时间范围以及预设安全电压值的大小均不作限定。

在上述基础上，第一判断单元还用于：

当有两组以上三相绕组的电流值大于给定安全值时，对控制装置12内的预先给定的状态量进行限制调整。

其中，对控制装置12内的预先给定的状态量进行限制调整的控制关系式如下：

其中，t_prtect1＜t_s＜t_prtect2为预设时间范围，输入值F_{in_all}为预先给定的状态量包括转矩T_{ein_all}、电流i_{sin_all}、电压u_{sin_all}、转速ω_{ein_all}等，F_{in_all}(K+1)(T_{ein_all},i_{sin_all},u_{sin_all},ω_{ein_all})，F_{in_all}(K)(T_{ein_all},i_{sin_all},u_{sin_all},ω_{ein_all})分别对应此时和未来时刻的输入值，a_sk1,a_sk2.....a_skN表示保护系数，其中，0.9＜a_sk1,a_sk2.....a_skN＜1，N表示有多组三相绕组的电流值过高，k_f为迭代系数，0＜k_f＜0.5。

可以理解的是，通过以上两个判断单元的判断控制可以实现两级保护操作，第一级为系统冗余保护，即当三相绕组的电流值大于给定安全值时，允许空调变频传动系统在该种情况下工作，但工作时间不能超过预设时间范围；若有两组及以上的三相绕组的电流值大于给定安全值，则对控制装置12内的预先给定的状态量进行限制调整，来控制变频设备11改变三相绕组内的电流值，若通过调整，仍有一组三相绕组的电流值大于给定安全值的时间超出预设时间范围，则需要进一步进行第二级系统安全保护，通过三相调度开关以及三相保护开关动作来进行硬性隔离。通过以上两级保护，能够及时发现空调变频传动系统的故障并进行隔离，实现了空调变频传动系统的安全可靠运行。进一步的，当有多组三相绕组的电流值过大时，能够对预先给定的状态量进行调整，实现了对空调变频传动系统的总体输入控制。

进一步可知，在第二级系统安全保护中，当永磁电机13的反电动势超出预设安全电压值时，若仅断开三相绕组对应的三相调度开关可能会导致永磁电机13内的二极管反向充电超过安全电压。

其中，这里的变频设备11包括：

整流模块，用于将电网输入的三相交流电转变为直流电；

逆变模块，用于将整流模块输出的直流电转变为永磁电机13需要的交流电并输出至相应的三相绕组；

直流支撑电容，用于支撑整流模块以及逆变模块之间的能量传输。

作为优选地，参见图4所示，图4为本发明提供的另一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统的电路示意图；该系统还包括：

作为冗余电源的新能源供电装置，新能源供电装置的两个输出端分别与直流支撑电容的两端相连。

其中，这里的新能源供电装置为太阳能供电装置、地热能供电装置、风能供电装置、海洋能供电装置或生物质能供电装置中的任一种。当然，本发明对新能源供电装置具体采用哪种新能源供电并不做限定。

进一步的，该系统还可以包括配电开关，新能源供电装置通过配电开关与直流支撑电容的两端相连。

可以理解的是，本系统加入新能源供电装置以及配电开关后即实现了冗余供电的目的，此时本系统中的变频设备11需要承担多个变频设备11、电网、新能源供电装置之间的智能化管理工作，且各个变频设备11之间的能量流通也需要进行自动调度，此功能可由控制装置12完成也可由变频设备11完成。

另外，在这种情况下，本系统包括有七种工作模式。

模式一：纯电网供电，此时配电开关断开，新能源供电装置不接入电路；

模式二：三相调度开关断开，电网不供电，新能源供电装置经过逆变模块为永磁电机13供电；

模式三：配电开关闭合，电网与新能源供电装置共同为永磁电机13供电；

模式四：N个三相保护开关全部断开，新能源供电装置的电能全部经过变频设备11的整流模块进入电网；

模式五：配电开关断开，新能源供电装置不接入电路，永磁电机13全部三相绕组均在制动模式下，或者是其中多组三相绕组在制动模式下(其它在牵引模式下)，永磁电机13发电并通过变频设备11将电能回馈电网；

模式六：当新能源供电装置能量较充裕，而永磁电机13的负载不足或者存在多组三相绕组(多个三相保护开关断开的情况)不工作时候，新能源供电装置的能量可经逆变模块为永磁电机13供电，多余的能量通过整流模块反馈至电网；

模式七：当新能源供电装置的能量较充裕，且永磁电机13的负载工作在制动状态时，永磁电机13发电生成的电能经过逆变模块后与新能源供电装置的电能汇流后，通过整流模块反馈至电网。

另外，本发明中的控制装置12可直接采用空调内的控制器，变频设备11可以为空调用机载冷媒变频器。

与实施例一相比，本实施例增加了电流均衡单元以及输入均匀分配单元，保证了各组三相绕组上的电流均衡且保证了各个变频设备输出的状态量均相等，避免了由于各组三相绕组的输入不相等而影响永磁电机的正常工作；另外，本实施例还增加了N个三相调度开关、N个三相保护开关以及两个判断单元，能够在有三相绕组发生故障时，及时调整相应的三相调度开关以及三相保护开关的动作，避免影响非故障部分的正常工作，保证了空调变频传动系统的安全可靠运行；同时，本实施例还增加了新能源供电装置作为冗余电源，可以与电网同时为永磁电机供电，当电网出现故障时，也可单独进行供电，同时，当自身能量充足时，还可以将多余的电能反馈至电网，提高了空调变频传动系统的可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于多绕组永磁电机的空调变频传动系统，其特征在于，包括具有N组三相绕组的永磁电机、控制装置以及N个变频设备，N个所述变频设备的输入端分别与电网相连，N个所述变频设备的输出端分别与所述永磁电机的N组所述三相绕组对应相连，N不小于2，其中：

N个所述变频设备，用于分别根据所述位置信号以及所述速度信号为N组所述三相绕组提供相应的电压；

所述控制装置还包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制装置包括：

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制装置包括：

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制装置还包括：

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一判断单元还用于：

7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述变频设备包括：

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述新能源供电装置为太阳能供电装置、地热能供电装置、风能供电装置、海洋能供电装置或生物质能供电装置中的任一种。