CN106208883A - 绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法，可以完全控制无刷双馈电动机整个启动过程中的功率绕组和控制绕组电流，大大降低功率绕组和控制绕组的启动电流，从根本上实现无刷双馈电动机的无冲击启动。本发明的无冲击启动装置结构简单，故障率低，运行安全可靠，能够实时监测无刷双馈电动机的启动状态，避免启动时冲击电流对无刷双馈电动机的危害。而且该无冲击启动方法适应性强，能够使用在各种型号的无刷双馈电动机。
Description
技术领域
本发明涉及无刷双馈电动机技术领域，特别涉及一种绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法。
背景技术
无刷双馈电动机作为近年来的一种新型交流调速电机，它由两套相互独立的定子绕组(功率绕组和控制绕组)和转子组成，利用可逆变频器调节控制绕组的电源频率实现对电动机的转速控制。传统的大功率无刷双馈电动机启动装置采用控制绕组串联电阻或者变频器内部的驱动电路中串联电阻的方法，小功率无刷双馈电动机采用直接短接控制绕组的方法。传统的这些方法，电机的电流峰值很大，大电流会对电源产生冲击，也会在电机内部和供电线路上产生损耗而大量发热。
又有一些方法采用首先短接功率绕组，变频器驱动控制绕组启动，然后再切入功率绕组电源。此类方法在切入功率绕组电源时依然会带来数倍额定电流的冲击，并且电机转速会剧烈变化，对负载运行极为不利。
目前，现有技术的无刷双馈电动机启动装置无法降低冲击电流对电机造成的危害，而且操作流程复杂，容易出现操作失灵情况，造成运行故障；而且需要增加短接电阻等配套部件，增加成本；而且体积一般较大，过多占用现场空间，给安装施工及维护带来不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，操作容易，体积小，成本低，而且不会出现冲击电流对电机造成危害的绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，包括
接触器K1，用于功率绕组的供电的通断；
接触器K2，用于无冲击启动装置的供电的通断；
信号采集模块，用于采集无刷双馈电动机功率绕组的电压和电流信号、控制绕组的电压和电流信号；
变流模块，用于对无刷双馈电动机输出所需的控制电流；
控制模块，用于接收所述信号采集模块的信号，根据所述信号采集模块的信号进行计算并控制所述变流模块电流的输出。
优选的，还包括人机界面和通讯模块，所述人机界面和所述通讯模块与所述控制模块连接，所述人机界面和所述通讯模块用于接收外部的操作指令及反馈系统的运行情况。
优选的，所述接触器K1的控制回路与所述控制模块连接，所述控制模块用于控制所述接触器K1的通断。
优选的，所述接触器K2的控制回路与所述控制模块连接，所述控制模块用于控制所述接触器K2的通断。
优选的，所述信号采集模块包括电流采集电路和电压采集电路。
优选的，所述电流采集电路包括滤波电路和转换电路。
优选的，所述电压采集电路包括滤波电路和转换电路。
采用上述启动装置的启动方法，包括以下步骤：
(1)接通启动装置的电源，启动装置就绪；
(2)启动装置就绪后，在人机界面上设定电机参数；
(3)执行启动操作；
(4)接通功率绕组电源；
(5)启动装置中的控制模块根据检测到的电机信号，执行矢量自适应控制算法；
(6)控制模块驱动变流模块实现对控制绕组的输出；
(7)启动装置控制电机达到自然同步速后，完成无冲击启动过程。
进一步的，所述矢量自适应控制算法包括以下步骤：
(1)根据设定的电机参数中的额定电压和额定功率，计算出启动转矩Te1；
(2)将信号采集模块获取的功率绕组三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括pM轴和pT轴，得到功率绕组在pM轴和pT轴上的电流分量ipM、ipT，ipM和ipT初始值为默认给定值；
(3)将信号采集模块获取的控制绕组三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括cM轴和cT轴，得到控制绕组在cM轴和cT轴上的电流分量icM、icT，icM和icT初始值为默认给定值；
(4)根据启动转矩Te1及设定的启动电流上限，计算出控制绕组的电流给定值i* cM、i* cT；
(5)根据ipM、ipT、i* cM、i* cT，通过自适应算法计算出控制绕组的三相电压UcU、UcV、UcW，并通过驱动变流模块使控制绕组的三相电压为UcU、UcV、UcW。
(6)通过自适应算法中的转速计算过程，调整电机转速由0提升至自然同步速。
进一步的，所述控制模块实时监控无刷双馈电动机启动过程中的运行数据，以及及时改变所述变流模块对无刷双馈电动机提供的电流。
采用上述技术方案本发明得到的有益效果为：无冲击启动装置结构简单，成本低，无冲击启动方法控制容易，运行安全可靠，能够实时监测无刷双馈电动机的启动状态，避免启动时的冲击电流对无刷双馈电动机的危害。而且该无冲击启动方法和启动装置适应性强，能够使用在各种型号的无刷双馈电动机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无刷双馈电动机无冲击启动装置的结构示意图；
图2为本发明无刷双馈电动机无冲击启动方法的流程框图；
图3为本发明无刷双馈电动机无冲击启动方法中矢量自适应算法的控制流程图；
图4为一种传统的25kW功率的无刷双馈电动机控制绕组短接后启动电机时功率绕组电流波形；
图5为与图4同一台电机的无刷双馈电动机控制绕组短接后启动电机时控制绕组电流波形；
图6为与图4同一台电机的无刷双馈电动机使用本发明的绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法进行启动过程中的功率绕组电流波形；
图7为与图4同一台电机的无刷双馈电动机使用本发明的绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法进行启动过程中的控制绕组电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为一实施例中绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置的结构示意图，包括接触器K1，用于功率绕组的供电的通断，功率绕组侧电源Ⅰ可以为380V、690V、1140V、6kV、10kV三相工频交流电源中的一种；还包括接触器K2，用于无冲击启动装置的供电的通断，无冲击启动装置的电源Ⅱ可以为380V、690V、1140V、6kV、10kV三相工频交流电源中的一种或者580V、1150V的持续直流电的一种；还包括信号采集模块，用于采集无刷双馈电动机功率绕组的电压和电流信号、控制绕组的电压和电流信号；还包括变流模块，用于对无刷双馈电动机输出所需的控制电流；还包括控制模块，用于接收所述信号采集模块的信号，根据所述信号采集模块的信号进行计算并控制所述变流模块电流的输出；还包括人机界面和通讯模块，所述人机界面和所述通讯模块与所述控制模块连接，所述人机界面和所述通讯模块用于接收外部的操作指令及反馈系统的运行情况；所述信号采集模块包括电流采集电路和电压采集电路；电流采集电路和电压采集电路包括滤波电路和转换电路。
图2为一实施例中绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动方法的流程图，包括以下步骤：
(1)接通启动装置的电源，启动装置就绪；
(2)启动装置就绪后，在人机界面上设定电机参数；
(3)执行启动操作；
(4)接通功率绕组电源；
(5)启动装置中的控制模块根据检测到的电机信号，执行矢量自适应控制算法；
(6)控制模块驱动变流模块实现对控制绕组的输出；
(7)启动装置控制电机达到自然同步速后，完成无冲击启动过程。
本无冲击启动方法中的控制模块实时监控无刷双馈电动机启动过程中的运行数据，以及及时改变变流模块对无刷双馈电动机提供的电流。
图3是一实施例中绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动方法中矢量自适应算法的控制流程图。本发明中的矢量自适应算法流程包括以下步骤：
(1)根据设定的电机参数中的额定电压和额定功率，计算出启动转矩Te1；
(2)将信号采集模块获取的功率绕组三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括pM轴和pT轴，得到功率绕组在pM轴和pT轴上的电流分量ipM、ipT，ipM和ipT初始值为默认给定值；
(3)将信号采集模块获取的控制绕组三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括cM轴和cT轴，得到控制绕组在cM轴和cT轴上的电流分量icM、icT，icM和icT初始值为默认给定值；
(4)根据启动转矩Te1及设定的启动电流上限，计算出控制绕组的电流给定值i* cM、i* cT；
(5)根据ipM、ipT、i* cM、i* cT，通过自适应算法计算出控制绕组的三相电压UcU、UcV、UcW，并通过驱动变流模块使控制绕组的三相电压为UcU、UcV、UcW。
(6)通过自适应算法中的转速计算过程，调整电机转速由0提升至自然同步速。
图4为一种传统的25kW功率的无刷双馈电动机控制绕组短接后启动电机时功率绕组电流波形，图5为与图4同一台电机的无刷双馈电动机控制绕组短接后启动电机时控制绕组电流波形，在无刷双馈电动机启动过程中，功率绕组的电流峰值在110A左右，是空载电流的4-5倍，控制绕组的电流峰值在90A左右，远远超过电机正常运行时的额定电流。这么大的电流对供电电源产生很大冲击，也会在电机内部和供电线路上产生损耗而大量发热。
图6为与图4同一台电机的无刷双馈电动机，在使用本发明的绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法进行启动过程中的功率绕组电流波形，图7为与图4同一台电机的无刷双馈电动机，在使用本发明的绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置和启动方法进行启动过程中的控制绕组电流波形，跟传统的短接控制绕组的启动方式不一样的是，功率绕组电流和控制绕组电流的峰值被控制在分别是25A和15A左右，大大低于之前传统的启动方法。
本发明的无冲击启动装置结构简单，成本低，无冲击启动方法控制容易，运行安全可靠，能够实时监测无刷双馈电动机的启动状态，避免启动时的冲击电流对无刷双馈电动机的危害。而且该无冲击启动方法和启动装置适应性强，能够使用在各种型号的无刷双馈电动机。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，其特征在于：包括
接触器K1，用于功率绕组的供电的通断；
接触器K2，用于无冲击启动装置的供电的通断；
信号采集模块，用于采集无刷双馈电动机功率绕组的电压和电流信号、控制绕组的电压和电流信号；
变流模块，用于对无刷双馈电动机输出所需的控制电流；
控制模块，用于接收所述信号采集模块的信号，根据所述信号采集模块的信号进行计算并控制所述变流模块电流的输出。
2.根据权利要求1所述绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，其特征在于：还包括人机界面和通讯模块，所述人机界面和所述通讯模块与所述控制模块连接，所述人机界面和所述通讯模块用于接收外部的操作指令及反馈系统的运行情况。
3.根据权利要求1所述绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，包括：所述接触器K1的控制回路与所述控制模块连接，所述控制模块用于控制所述接触器K1的通断。
4.根据权利要求1所述绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，包括：所述接触器K2的控制回路与所述控制模块连接，所述控制模块用于控制所述接触器K2的通断。
5.根据权利要求1所述绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，其特征在于：所述信号采集模块包括电流采集电路和电压采集电路。
6.根据权利要求5所述绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，其特征在于：所述电流采集电路包括滤波电路和转换电路。
7.根据权利要求5所述绕线式转子无刷双馈电动机无冲击启动装置，其特征在于：所述电压采集电路包括滤波电路和转换电路。
8.采用上述任一项权利要求启动装置的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接通启动装置的电源，启动装置就绪；
(2)启动装置就绪后，在人机界面上设定电机参数；
(3)执行启动操作；
(4)接通功率绕组电源；
(5)启动装置中的控制模块根据检测到的电机信号，执行矢量自适应控制算法；
(6)控制模块驱动变流模块实现对控制绕组的输出；
(7)启动装置控制电机达到自然同步速后，完成无冲击启动过程。
9.根据权利要求8所述的无刷双馈电动机无冲击启动方法，其特征在于，所述矢量自适应控制算法包括以下步骤：
(1)根据设定的电机参数中的额定电压和额定功率，计算出启动转矩Te1；
(2)将信号采集模块获取的功率绕组三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括pM轴和pT轴，得到功率绕组在pM轴和pT轴上的电流分量ipM、ipT，ipM和ipT初始值为默认给定值；
(3)将信号采集模块获取的控制绕组三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括cM轴和cT轴，得到控制绕组在cM轴和cT轴上的电流分量icM、icT，icM和icT初始值为默认给定值；
(4)根据启动转矩Te1及设定的启动电流上限，计算出控制绕组的电流给定值i* cM、i* cT；
(5)根据ipM、ipT、i* cM、i* cT，通过自适应算法计算出控制绕组的三相电压UcU、UcV、UcW，并通过驱动变流模块使控制绕组的三相电压为UcU、UcV、UcW。
(6)通过自适应算法中的转速计算过程，调整电机转速由0提升至自然同步速。
10.根据权利要求8所述无冲击启动方法，其特征在于：所述控制模块实时监控无刷双馈电动机启动过程中的运行数据，以及及时改变所述变流模块对无刷双馈电动机提供的电流。
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