CN106887958A - 永磁同步电机电动及发电交替运行系统及其调节方法 - Google Patents

永磁同步电机电动及发电交替运行系统及其调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及永磁同步电机电动及发电交替运行系统及其调节方法，属于永磁同步电机控制技术领域，本发明通过能量的双向传输电路，使永磁同步电机在电动机运行状态，把电能转换为机械能，在发电机运行状态把机械能转换为电能，然后回送给电源；通过直流环节的直流电压可变电路，使永磁同步电机在低速运行时直流电压降低，永磁同步电机在高速运行时直流电压升高，让直流电压与永磁电机的运行速度适配，提升永磁同步电机的控制性能。

Description

永磁同步电机电动及发电交替运行系统及其调节方法
技术领域
本发明属于电气工程电机控制技术领域，具体的说，涉及永磁同步电机电动及发电交替运行系统及其调节方法。
背景技术
永磁同步电机在工业生产中的应用越来越广泛，而永磁同步电机的控制性能是永磁同步电机使用成败的关键环节。在宽调速范围内对电动/发电状态做速度控制是永磁同步电机的主要控制方式之一。
目前对永磁同步电机的控制研究主要体现在两个方面：
1、永磁同步电机通常运行在电动机方式下，通过把电能转换为机械能，驱动机械装置运行，在电动机运行方式下，控制器的能量是单一的从电源到永磁同步电机传输，直流环节的能量不能反向传输回到电源，浪费了电能；
2、永磁同步电机如果保持直流电压不变，当转子运行在低速情况下时，定子绕组需要的电压低，则只有通过减小PWM脉冲的宽度来实现，使定子绕组端电压中实际谐波分量增加，从而造成定子绕组电流脉动，使永磁同步电机的动静态特性变差。
申请号201580014881.5，发明名称直流电动机及发电机，公开了永磁铁可与轴一同旋转地被安装在轴周围，在永磁铁周围安装有线圈，并安装电磁铁在永磁铁周围，采用电池使电磁铁运行，再通过电磁铁运行/非运行的装置控制电磁铁的运行，从而控制永磁铁旋转，永磁铁旋转带动线圈产生电能送回电源，同时电动机轴的线圈切割磁感线，驱动电动机轴旋转，虽然发明也解决了电动机电能的利用问题，但是其结构复杂，并且电动机与发电机是同时工作的，能源消耗大。
申请号201510019524.X，发明名称永磁同步电机控制方法及装置，公开了一种根据所述永磁同步电机的定子电流获取所述永磁同步电机的转矩电流；根据转矩电流控制所述永磁同步电机运行，有效地提高了永磁同步电机的控制精度，但是其没有能解决永磁同步电机转矩脉动大，动静态特性差，控制性能不好的问题。
因此，有必要提出永磁同步电机电动及发电交替运行系统及其调节方法，使其运行在运行状态下实现永磁同步电机与电网的能量双向传输，节约电能，无论是工作在发电机低速状态，还是工作在电动机低速状态，都能做到恒速、稳定、动静态特性良好的运行。
发明内容
为了克服背景技术中的问题，为了保证永磁同步电机在电动/发电交替运行状态宽调速范围运行，永磁同步电机电动及发电交替运行系统及其调节方法，能实现永磁同步电机在运行方式下与电网的能量双向传输，使永磁同步电机既可以在电动机状态下做恒速运行，也可以在发电机状态下做恒速运行；同时可以使直流环节的电压可变，使永磁同步电机无论是工作在发电机状态，还是工作在电动机状态，都能做到恒速、稳定、动静态特性良好的运行。
为了实现上述目的，本发明是按照以下技术方案实现的：
所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统包括变压器T、三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02、变直流电压三相逆变电路U03、永磁同步电机；
所述的三相全桥四象限整流电路U01，包括V01、V02、V03、V04、V05、V06，VD01、VD02、VD03、VD04、VD05、VD06；V01与VD01反向并联，V02与VD02反向并联，V03与VD03反向并联，V04与VD04反向并联，V05与VD05反向并联，V06与VD06反向并联；V01阴极与V02阳极相连，V03阴极与V04阳极相连，V05阴极与V06阳极相连；V01阳极、V03阳极、V05阳极与直流传输线U1连接，V02阴极、V04阴极、V06阴极与直流传输线U2连接；变压器副边中的电压输出端A1相与V01阴极相连，电压输出端B1相与V03阴极相连，电压输出端C1相与V05阴极相连；
所述的三相全桥四象限整流电路U02，包括V07、V08、V09、V10、V11、V12，VD07、VD08、VD09、VD10、VD11、VD12；V07与VD07反向并联，V08与VD08反向并联，V09与VD09反向并联，V10与VD10反向并联，V11与VD11反向并联，V12与VD12反向并联；V07阴极与V08阳极相连，V09阴极与V10阳极相连，V11阴极与V12阳极相连；V07阳极、V09阳极、V11阳极与直流传输线U2连接，V08阴极、V10阴极、V12阴极与直流传输线U3连接；变压器副边中的电压输出端A2相与V07阴极相连，电压输出端B2相与V09阴极相连，电压输出端C2相与V11阴极相连；
变直流电压三相逆变电路U03，包括V13、V14、V15、V16、V17、V18、V19、V20、V21、V22、V23、V24，VD13、VD14、VD15、VD16、VD17、VD18、VD19、VD20、VD21、VD22、VD23、VD24，V13与VD13反向并联，V14与VD14反向并联，V15与VD15反向并联，V16与VD16反向并联，V17与VD17反向并联，V18与VD18反向并联，V19与VD19反向并联，V20与VD20反向并联，V21与VD21反向并联，V22与VD22反向并联，V23与VD23反向并联，V24与VD24反向并联；V13阴极与V14阳极相连，V15阴极与V16阳极相连，V17阴极与V18阳极相连，V19阴极与V20阳极相连，V21阴极与V22阳极相连，V23的阴极与V24的阳极相连；
V14阴极与V15阳极相连，V18阴极与V19阳极相连，V22阴极与V23阳极相连，V13阳极、V17阳极、V21阳极与直流传输线U1连接，V16阴极、V20阴极、V24阴极与直流传输线U3连接；VD25阴极与V13阴极相连接，VD27阴极与V17阴极相连接，VD29阴极与V21阴极相连接，VD26阳极与V15阴极相连接，VD28阳极与V19阴极相连接，VD30阳极与V23阴极相连接，VD25阳极、VD27阳极、VD29阳极与直流传输线U2连接，VD26阴极、VD28阴极、VD30阴极与直流传输线U2连接；
所述的变压器T与三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02电连接，三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02与变直流电压三相逆变电路U03电连接，变直流电压三相逆变电路U03与永磁同步电机相连。
所述的变压器T包括原边和副边，变压器T原边为三相电源电压输入端A相、B相、C相，副边为两组，一组为三相电压输出端A1相、B1相、C1相，另一组为三相电压输出端A2相、B2相、C2相。
所述的变直流电压三相逆变电路U03的V14阴极、V18阴极、V22阴极分别与永磁同步电机三相输入端相连。
所述的永磁同步电机电动-发电交替运行系统还包括直流接触器、电阻，KM01-1为直流接触器KM01的触点，KM02-1为直流接触器KM02的触点，与电阻R01连接，KM02-1与电阻R01串联后，KM02-1、电阻R01再与KM01-1并联，KM01-1、KM02-1一端与V01阳极、V03阳极、V05阳极相连，KM01-2为直流接触器KM01的触点，KM02-2为直流接触器KM02的触点，与电阻R02连接，KM02-2与电阻R02串联后，KM02-2、电阻R02再与KM01-2并联，KM02-2、KM01-2一端与V07阳极、V09阳极、V11阳极相连。
所述的永磁同步电机电动-发电交替运行系统还包括电容，电容C01一端与直流传输线U1连接，另一端与直流传输线U2连接；电容C02一端与直流传输线U2连接，另一端与直流传输线U3连接。
永磁同步电机电动及发电交替运行调节方法，其特征在于：包括永磁同步电机电动发电恒速运行控制方法，永磁同步电动机跟随电压控制方法：
(1)永磁同步电机电动发电恒速运行控制方式包括：电动机恒速控制方法、发电机恒速控制方法。
步骤1，在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度。
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系。
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度。
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量。
步骤5.控制定子绕组电流的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小。
步骤6.控制定子绕组端电压幅值，从而控制定子绕组电流的大小。
步骤7.控制变直流电压三相逆变电路U03的逆变输出电压，从而控制定子绕组端电压幅值的大小。
发电机恒速控制方法包括以下步骤：
步骤1，在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度。
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系。
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度。
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量。
步骤5.控制变直流电压三相逆变电路U03输出的等效电压的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小。
(2)永磁同步电动机跟随电压控制方法：
包括四种不同运行方式：
第一种电压调节方法：
步骤1.V14、V18、V22一直给开通控制信号，V16、V20、V24一直给关断控制信号。
步骤2.V13和V15呈互补性控制，即给V13开通信号时给V15关断信号，给V13关断信号时给V15开通信号。
步骤3.V17和V19呈互补性控制，即给V17开通信号时给V19关断信号，给V17关断信号时给V19开通信号。
步骤4.V21和V23呈互补性控制，即给V21开通信号时给V23关断信号，给V21关断信号时给V23开通信号。
步骤5.这样构成了第一个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12，即为Ud/4。
第二种电压调节方法：
步骤1.V15、V19、V23一直给开通控制信号，V13、V17、V21一直给关断控制信号。
步骤2.V14和V16呈互补性控制，即给V14开通信号时给V16关断信号，给V14关断信号时给V16开通信号；
步骤3.V18和V20呈互补性控制，即给V18开通信号时给V20关断信号，给V18关断信号时给V20开通信号；
步骤4.V22和V24呈互补性控制，即给V22开通信号时给V24关断信号，给V22关断信号时给V24开通信号。
步骤5.这样构成了第二个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U23，即为Ud/2。
第三种电压调节方法：
步骤1.V13、V14和V15、V16呈互补性控制，即给V13、V14通信号时给V15、V16关断信号，给V13、V14关断信号时给V15、V16开通信号
步骤2.V17、V18和V19、V20呈互补性控制，即给V17、V18开通信号时给V19、V20关断信号，给V17、V18关断信号时给V19、V20开通信号；
步骤3.V21、V22和V23、V24呈互补性控制，即给V21、V22开通信号时给V23、V24关断信号，给V21、V22关断信号时给V23、V24开通信号。
步骤4.这样构成了第三个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12加U23，即为3Ud/4。
第四种电压调节方法：
步骤1.U01工作在四象限整流状态下。
步骤2.调节电压U12，使电压U12等于U23的电压，并且U12与U23的电压相加为电压Ud。
步骤3.U03按照三电平逆变方式运行。
本发明的有益效果：
1.实现了永磁同步电机在运行状态下与电网能量的双向传输，同时保证永磁同步电机既可以在电动机状态下做恒速运行，也可以在电动机状态下做恒速运行。
2.可以使直流环节的电压可变，适配永磁同步电机的转速；从而保证永磁同步电机无论是在电动机运行状态，还是在发电机运行状态，无论是在额定运行速度，还是在低速运行条件下都能做到恒速、稳定、动静态特性良好的运行。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚、明白，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。
V01～V24——全控型电力电子开关；
VD01～VD30——电力二极管；
S——三相交流电源；
T——变压器；
A、B、C——变压器三相电源输入；
A1、B1、C1——变压器三相输出；
A2、B2、C2——变压器三相输出；
KM01-1——直流接触器KM01第一对触点；
KM01-2——直流接触器KM01第二对触点；
KM02-1——直流接触器KM02第一对触点；
KM02-2——直流接触器KM02第二对触点；
R01——限流电阻；
R02——限流电阻；
C01——电容；
C02——电容；
M01——永磁同步电机；
U01——三相四象限整流电路；
U02——三相四象限整流电路；
U03——变直流电压三相逆变电路；
U1——直流传输线一；
U2——直流传输线二；
U3——直流传输线三。
实施例1
本实施例提供永磁同步电机电动及发电交替运行系统，图1为根据本发明实施例1的永磁同步电机电动发电交替运行系统的电路结构示意图，如图1所示，所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统包括变压器T、三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02、变直流电压三相逆变电路U03、永磁同步电机；该系统在永磁同步电机做电动机运行时，能量由电网传输到电动机上，永磁同步电机做发电机运行时，能量从永磁同步电机输入到电网，即该系统具有双向传输的能力，直流环节能够稳定可靠地运行。
所述的三相全桥四象限整流电路U01，包括V01、V02、V03、V04、V05、V06，VD01、VD02、VD03、VD04、VD05、VD06；V01与VD01反向并联，V02与VD02反向并联，V03与VD03反向并联，V04与VD04反向并联，V05与VD05反向并联，V06与VD06反向并联；V01阴极与V02阳极相连，V03阴极与V04阳极相连，V05阴极与V06阳极相连；V01阳极、V03阳极、V05阳极与直流传输线U1连接，V02阴极、V04阴极、V06阴极与直流传输线U2连接；变压器副边中的电压输出端A1相与V01阴极相连，电压输出端B1相与V03阴极相连，电压输出端C1相与V05阴极相连；三相全桥四象限整流电路U01既可以把变压器T的能量传输给直流传输线U1和U2，又可以把直流传输线U1和U2的能量反向输送给变压器T，从而保持直流传输线U1和U2间电压的稳定。
所述的三相全桥四象限整流电路U02，包括V07、V08、V09、V10、V11、V12，VD07、VD08、VD09、VD10、VD11、VD12；V07与VD07反向并联，V08与VD08反向并联，V09与VD09反向并联，V10与VD10反向并联，V11与VD11反向并联，V12与VD12反向并联；V07阴极与V08阳极相连，V09阴极与V10阳极相连，V11阴极与V12阳极相连；V07阳极、V09阳极、V11阳极与直流传输线U2连接，V08阴极、V10阴极、V12阴极与直流传输线U3连接；变压器副边中的电压输出端A2相与V07阴极相连，电压输出端B2相与V09阴极相连，电压输出端C2相与V11阴极相连；三相全桥四象限整流电路U02既可以把变压器T的能量传输给直流传输线U2和U3，又可以把直流传输线U2和U3的能量反向输送给变压器T，从而保持直流传输线U2和U3间电压的稳定。
变直流电压三相逆变电路U03，包括V13、V14、V15、V16、V17、V18、V19、V20、V21、V22、V23、V24，VD13、VD14、VD15、VD16、VD17、VD18、VD19、VD20、VD21、VD22、VD23、VD24，V13与VD13反向并联，V14与VD14反向并联，V15与VD15反向并联，V16与VD16反向并联，V17与VD17反向并联，V18与VD18反向并联，V19与VD19反向并联，V20与VD20反向并联，V21与VD21反向并联，V22与VD22反向并联，V23与VD23反向并联，V24与VD24反向并联；V13阴极与V14阳极相连，V15阴极与V16阳极相连，V17阴极与V18阳极相连，V19阴极与V20阳极相连，V21阴极与V22阳极相连，V23的阴极与V24的阳极相连。
V14阴极与V15阳极相连，V18阴极与V19阳极相连，V22阴极与V23阳极相连，V13阳极、V17阳极、V21阳极与直流传输线U1连接，V16、V20、V24阴极与直流传输线U3连接；VD25阴极与V13阴极相连接，VD27阴极与V17阴极相连接，VD29阴极与V21阴极相连接，VD26阳极与V15阴极相连接，VD28阳极与V19阴极相连接，VD30阳极与V23阴极相连接，VD25阳极、VD27阳极、VD29阳极与直流传输线U2连接，VD26阴极、VD28阴极、VD30阴极与直流传输线U2连接；变直流电压三相逆变电路U03能够根据永磁同步电机的转速改变直流电压，从而降低输出转矩波动。
所述的变压器T与三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02电连接，三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02与变直流电压三相逆变电路U03电连接，变直流电压三相逆变电路U03与永磁同步电机相连。
其中，所述的变压器T包括原边和副边，变压器T原边为三相电源电压输入端A相、B相、C相，副边为两组，一组为三相电压输出端A1相、B1相、C1相，另一组为三相电压输出端A2相、B2相、C2相。
所述的变直流电压三相逆变电路U03的V14阴极、V18阴极、V22阴极分别与永磁同步电机三相输入端相连。
所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统，还包括直流接触器、电阻，KM01-1为直流接触器KM01的触点，KM02-1为直流接触器KM02的触点，KM02-1与电阻R01串联后，KM02-1、电阻R01再与KM01-1并联，KM01-1、KM02-1一端与V01阳极、V03阳极、V05阳极相连，KM01-2为直流接触器KM01的触点，KM02-2为直流接触器KM02的触点，KM02-2与电阻R02串联后，KM02-2、电阻R02再与KM01-2并联，KM02-2、KM01-2一端与V07阳极、V09阳极、V11阳极相连。
所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统还包括电容C01、电容C02，电容C01一端与直流传输线U1连接，另一端与直流传输线U2连接；电容C02一端与直流传输线U2连接，另一端与直流传输线U3连接。
在系统投入运行时，KM01-1和KM01-2两个触头断开，KM02-1和KM02-2两个触头闭合，电源通过电阻R01和R02为电容C01和C02充电，限流电阻R01和R02限制电容C01和C02的充电电压上升速度或过冲；当电容C01和C02电压达到额定电压90％时，KM01-1和KM01-2两个触头闭合，KM02-1和KM02-2两个触头断开，使电源直接为电容C01和C02充电，建立了为变直流电压三相逆变电路U03逆变所需要的初始直流电压。
电容C01主要为了稳定直流传输线U1和U2间的电压差，防止冲击电流引起直流传输线U1和U2间的电压波动；电容C02主要为了稳定直流传输线U2和U3间的电压差，防止冲击电流引起直流传输线U2和U3间的电压波动。
本发明永磁同步电机电动及发电交替运行系统的控制方法：
设直流传输线U3的电压为参考零电压，直流传输线U2和直流传输线U3间的电压受三相全桥四象限整流电路U02控制，直流传输线U1和直流传输线U2间的电压受三相全桥四象限整流电路U01的控制。
三相全桥四象限整流电路U01、U02有两种工作方式，一种是整流加逆变的工作方式，另一种是四象限整流工作方式。在整流加逆变的工作方式中，整流时，全控型开关不工作，由二极管和相应的连接线构成三相桥式整流电路，把交流整流为直流，能量由电源传输到直流环节，再通过直流环节经U03提供给永磁同步电机。
当永磁同步电机做发电机运行时，永磁同步电机把机械能转化为电能，经过U03传输给直流环节，直流环节的电容电压会升高，需要把直流环节的电能传输给电源，U01和U02工作在逆变状态。
U01、U02如果工作在四象限整流方式，在每一个周期，电源和直流环节都会发生能量的双向交换，在一个周期内，如果电源向直流环节传输的能量多于直流环节向电源传输的能量，就处于整流状态，如果电源向直流环节传输的能量少于直流环节向电源传输的能量，就处于逆变状态。
在四象限整流工作方式下，直流传输线上的电压可以进行动态控制。无论是永磁同步电机处于电动机运行方式还是发电机运行方式，U01和U02通过控制能量的方向实现直流传输线上电压的稳定。
记直流传输线U2与U3之间的电压为U23，直流传输线U1与U2之间的电压为U12。在给定负载情况下，电压U12的最小值由A1、B1、C1三相电压经过二极管VD01～VD06构成的三相桥式整流电路整流得到，记为U12min，电压U23的最小值由A2、B2、C2三相电压经过二极管VD07～VD12构成的三相桥式整流电路整流得到,记为U23min。需要的电压U12大于U12min，时，由四象限整流电路U01进行调节得到。需要的电压U23大于U23min时，由四象限整流电路U02进行调节得到。
设永磁同步电机在额定转速下逆变器所需要的最佳适配总直流电压为Ud。电压U12和电压U23的比值理论上可以是任意值。为了使U03逆变和永磁同步电机运行匹配的方便，选取U01的整流输出电压为Ud/4，U01四象限整流控制电压为Ud/2，选取U02的整流输出电压为Ud/2，U02四象限整流控制电压为0.55Ud，即U23的电压如果超过U02的整流输出电压的110％,则U02四象限整流把能量回送给电网，使电压U23不继续升高。
永磁同步电机电动/发电交替运行恒速控制的原理如下：
永磁同步电机的转子磁极由永磁铁形成，而定子等效磁极由转子线圈励磁形成，定子等效磁极的大小和方向与定子三相电流的相位和大小相关。
永磁同步电机的转子磁极和定子等效磁极具有相互的作用力，以相互吸引为例，转子的磁南极与定子的等效磁极的磁北极相互吸引，同时，转子的磁北极与定子的等效磁极的磁南极相互吸引。当定子的等效磁极旋转的时候，如果使转子磁极在切线方向产生足够的拉力，转子会旋转，这种工作方式为电动机状态，在电动机状态下，定子等效磁极位置超前转子磁极位置。如果转子磁极位置超前定子等效磁极位置，则定子的等效磁极受到转子的切向拉力，这种工作方式为发电机状态。
在电动机状态，随着转子的旋转，始终保持定子等效磁极超前转子磁极位置旋转，则保持定子等效磁极与转子磁极保持同步。如果定子等效磁极等速前进，则转子也会等速前进，形成同步电机恒速电动机运行模式。
在发电机状态，转子磁极超前定子等效磁极，定子等效磁极受到转子磁极的切向拉力，如果定子等效磁极不动，则转子磁极和定子等效磁极间的拉力会越来越大，最终转子会停下来(也可能失步)。如果定子等效磁极向前旋转，转子磁极和定子等效磁极间的切向拉力减小，转子机械力矩大于电磁力矩，向前旋转。所以，在发电机状态下，转子的旋转速度取决于定子等效磁极的旋转速度。如果定子的等效磁极匀速旋转，则转子也匀速旋转。
永磁同步电机无论是在电动机状态还是在发电机状态，转子的旋转速度和定子等效磁极的旋转速度一致。
保持永磁同步电机定子等效磁极匀速旋转，则无论在电动机状态和发电机状态下如何频率地交替运行，总能保持永磁同步电机转子转速恒定。
保持永磁同步电机定子等效磁极匀速旋转实质上就是保持定子三相绕组的电流频率不变。在保持电流频率不变的同时，电流的幅值需要根据定子磁通的状态而变化，磁通大于需要值时，减小电流的幅值，磁通小于需要值时，增加电流幅值。在电流幅值增减和电流波形控制过程中，自然包含了能量在永磁同步电机和直流环节相互传输的过程，也自然能够适应永磁同步电机的电动机工作状态和发电机工作状态。
实施例2
当永磁同步电机做电动机恒速运行时，由于转子旋转速度和定子等效磁极的旋转速度相等，所以，转子的旋转速度由定子等效磁极的旋转速度确定，而定子等效磁极的旋转速度由定子三相绕组中电流的频率确定。随着负载的变化，定子三相绕组中的电流的幅值也需要跟随变化，否则，定子三相绕组电流的幅值过小会引起失步，定子三相绕组电流的幅值过大，则会引起励磁电流过大。
在永磁同步电机做电动机运行时，通过编码器测量转子旋转角度，通过定子电流测量定子等效磁极的旋转角度。
定子等效磁极的旋转角度与转子旋转角度之差为定子等效磁极与转子磁极的相位差。
本实施例是实施例1的永磁同步电机电动及发电交替运行作为电动机的恒速控制方法：
步骤1，在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度。
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系。
在永磁同步电机空载情况下，转子磁极与定子等效磁极的相位差可以忽略不计，认为相等，所以，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置。
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度。
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量。
定子等效磁极与转子磁极的相位差的余弦函数值再与定子电流幅值相乘就得到定子绕组电流的励磁分量。
步骤5.控制定子绕组电流的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小。
当定子绕组电流励磁分量大时，减小定子绕组电流，定子等效磁极与转子磁极的相位差增加，定子绕组电流励磁分量就会减小；相反，当定子绕组电流励磁分量小时，增加定子绕组电流，定子等效磁极与转子磁极的相位差减小，定子绕组电流励磁分量就会增加。
步骤6.控制定子绕组端电压幅值，从而控制定子绕组电流的大小。
定子绕组电流的大小由定子绕组端电压控制，当需要增加定子绕组电流，是通过增加定子绕组端电压幅值，当需要减小定子绕组电流时，减小定子绕组端电压幅值。
步骤7.控制变直流电压三相逆变电路U03的逆变输出电压，从而控制定子绕组端电压幅值的大小。
根据PWM调制方法，变直流电压三相逆变电路U03输出三相对称的交流电压。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/4以下时，按照第一种电压调节方法进行逆变控制,即三相全桥四象限整流电路U01工作在自然整流状态，三相全桥四象限整流电路U02工作在空闲状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/4和Ud/2之间时，按照第二种电压调节方法进行逆变控制，三相全桥四象限整流电路U01工作在空闲状态，三相全桥四象限整流电路U02工作在自然整流状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/2和3Ud/4之间时，按照第三种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路U01工作在自然整流状态，三相全桥四象限整流电路U02也工作在自然整流状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在3Ud/4和Ud之间时，按照第四种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路U01工作在受控整流状态，三相全桥四象限整流电路U02工作在自然整流状态。
实施例3
永磁同步电机作为发电机运行时，能量需要通过变直流电压三相逆变电路U03传输给直流环节。
永磁同步电机运行在发电机状态，需要定子绕组端电压的相位超前定子绕组电流的相位，并且相位差大于90°。
本实施例是实施例1的永磁同步电机电动及发电交替运行作为发电机的恒速控制方法：
步骤1，在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度。
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系。
在永磁同步电机空载情况下，转子磁极与定子等效磁极的相位差可以忽略不计，认为相等，所以，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置。
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度。
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量。
定子等效磁极与转子磁极的相位差的余弦函数值再与定子电流幅值相乘就得到定子绕组电流的励磁分量。
步骤5.控制变直流电压三相逆变电路U03输出的等效电压的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小。
当定子绕组电流励磁分量大于参考值时，需要减小定子绕组电流，增加变直流电压三相逆变电路U03输出的等效电压，定子绕组电流减小，定子等效磁极与转子磁极的相位差增加，定子绕组励磁电流分量减小。
当定子绕组电流励磁分量小于参考值时，需要增加定子绕组电流，减小变直流电压三相逆变电路U03输出的等效电压，定子绕组电流增加，定子等效磁极与转子磁极的相位差减小，定子绕组励磁电流分量增加。
根据PWM调制方法，变直流电压三相逆变电路U03输出三相对称的交流电压。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/2以下时，按照第一种电压调节方法进行逆变控制，三相全桥四象限整流电路U01工作在逆变状态，把直流传输线U1和U2的能量传输给电网，三相全桥四象限整流电路U02工作在空闲状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/2和3Ud/4之间时，按照第二种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路U01工作在空闲状态，三相全桥四象限整流电路U02工作在逆变状态，把直流传输线U2和U3的能量传输给电网。
当定子绕组的端电压的幅值需求大于3Ud/4时，按照第三种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路U01工作在逆变状态，把直流传输线U1和U2的能量传输给电网，三相全桥四象限整流电路U02工作在逆变状态，把直流传输线U2和U3的能量传输给电网。
变直流电压三相逆变电路控制：
在永磁同步电机运行过程中，转子旋转速度和定子绕组电压近似成正比，转子旋转速度越快，定子绕组电压需要越高，转子旋转速度越慢，定子绕组电压需要越低。
在使用逆变电路控制的永磁同步电机中，定子绕组电压是通过PWM调制波等效实现的。如果保持直流电压不变，当转子运行在低速情况下时，定子绕组需要的电压低，则只有通过减小PWM脉冲的宽度来实现，使定子绕组端电压中实际谐波分量增加，从而定子绕组电流脉动，使永磁同步电机的动静态特性变差。
当实现变直流电压逆变电路后，直流电压适配转子的旋转速度，转速越高，直流电压越高，转速越低，直流电压越低，从而使逆变后的定子绕组端电压的谐波分量减小，定子绕组电流波形平滑，永磁同步电机的动静态特性变优良。变直流电压三相逆变电路有四种电压运行方式。
由于永磁同步电机定子电压与转子旋转速度成近似的线性关系，所以，可以把定子绕组额定电压和转子额定转速的比值作为一个常数。转子实际旋转速度除以转子额定旋转速度所得到的值乘以这个常数，就是定子绕组端电压需要的近似值。
当永磁同步电机做电动机运行时，如果转子的旋转速度在额定转速的1/4以下，则定子绕组端电压需要的值在Ud/4以下，变直流电压三相逆变电路U03工作在第一种运行方式，此时定子绕组的端电压与反电动势的差较小，定子绕组电流的变化较小，总体上定子绕组电流的谐波小，定子等效磁极的磁感应强度和转速的脉动小，转子机械转矩波动减小。
如果转子的旋转速度在额定转速的1/4到1/2之间，则定子绕组端电压需要的值在Ud/4到Ud/2之间，变直流电压三相逆变电路U03工作在第二种运行方式；转子机械转矩波动减小的原因同上。
如果转子的旋转速度在额定转速的1/2到3/4之间，则定子绕组端电压需要的值在Ud/2到3Ud/4之间，变直流电压三相逆变电路U03工作在第三种运行方式；转子机械转矩波动减小的原因同上。
如果转子的旋转速度在额定转速的3/4到1之间，则定子绕组端电压需要的值在3Ud/4到Ud之间，变直流电压三相逆变电路U03工作在第四种运行方式；转子机械转矩波动减小的原因同上。
所以，无论是永磁同步电机在电动机还是发电机运行状态，无论是低速运行还是高速运行，都能够有合适的直流电压相适配，减小永磁同步电机的机械转矩波动。
实施例4.变直流电压三相逆变电路U03工作在第一种运行方式，实现跟随电压调节。
步骤1.V14、V18、V22一直给开通控制信号，V16、V20、V24一直给关断控制信号。
步骤2.V13和V15呈互补性控制，即给V13开通信号时给V15关断信号，给V13关断信号时给V15开通信号。
步骤3.V17和V19呈互补性控制，即给V17开通信号时给V19关断信号，给V17关断信号时给V19开通信号。
步骤4.V21和V23呈互补性控制，即给V21开通信号时给V23关断信号，给V21关断信号时给V23开通信号。
步骤5.这样构成了第一个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12，即为Ud/4。
变直流电压三相逆变电路U03工作的第二种运行方式，实现跟随电压调节：
步骤1.V15、V19、V23一直给开通控制信号，V13、V17、V21一直给关断控制信号。
步骤2.V14和V16呈互补性控制，即给V14开通信号时给V16关断信号，给V14关断信号时给V16开通信号；
步骤3.V18和V20呈互补性控制，即给V18开通信号时给V20关断信号，给V18关断信号时给V20开通信号；
步骤4.V22和V24呈互补性控制，即给V22开通信号时给V24关断信号，给V22关断信号时给V24开通信号。
步骤5.这样构成了第二个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U23，即为Ud/2。
变直流电压三相逆变电路U03工作的第三种运行方式，实现跟随电压调节。
步骤1.V13、V14和V15、V16呈互补性控制，即给V13、V14开通信号时给V15、V16关断信号，给V13、V14关断信号时给V15、V16开通信号；
步骤2.V17、V18和V19、V20呈互补性控制，即给V17、V18开通信号时给V19、V20关断信号，给V17、V18关断信号时给V19、V20开通信号；
步骤3.V21、V22和V23、V24呈互补性控制，即给V21、V22开通信号时给V23、V24关断信号，给V21、V22关断信号时给V23、V24开通信号。
步骤4.这样构成了第三个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12加U23，即为3Ud/4。
变直流电压三相逆变电路U03工作的第四种运行方式，实现跟随电压调节。
步骤1.U01工作在四象限整流状态下。
步骤2.调节电压U12，使电压U12等于U23的电压，并且U12与U23的电压相加为电压Ud。
步骤3.U03按照三电平逆变方式运行。
本发明的有益效果：
实现了永磁同步电机在运行状态下与电网的能量双向传输，同时保证永磁同步电机既可以在电动机状态下做恒速运行，也可以在电动机状态下做恒速运行；可以使直流环节的电压可变，适配永磁同步电机的转速；从而保证永磁同步电机无论是在电动机运行状态，还是在发电机运行状态，无论是在额定运行速度，还是在低速运行条件下都能做到恒速、稳定、动静态特性良好的运行。
最后说明的是，以上所述为本发明的优选实施方式，尽管通过上述优选实施例，已经对本发明进行了详细的说明，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种改变，而不偏离本发明的权利要求书所要求的范围。

Claims (6)

1.永磁同步电机电动及发电交替运行系统，其特征在于：所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统包括变压器T、三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02、变直流电压三相逆变电路U03、永磁同步电机；
所述的三相全桥四象限整流电路U01，包括V01、V02、V03、V04、V05、V06，VD01、VD02、VD03、VD04、VD05、VD06；V01与VD01反向并联，V02与VD02反向并联，V03与VD03反向并联，V04与VD04反向并联，V05与VD05反向并联，V06与VD06反向并联；V01阴极与V02阳极相连，V03阴极与V04阳极相连，V05阴极与V06阳极相连；V01阳极、V03阳极、V05阳极与直流传输线U1连接，V02阴极、V04阴极、V06阴极与直流传输线U2连接；变压器副边中的电压输出端A1相与V01阴极相连，电压输出端B1相与V03阴极相连，电压输出端C1相与V05阴极相连；
所述的三相全桥四象限整流电路U02，包括V07、V08、V09、V10、V11、V12，VD07、VD08、VD09、VD10、VD11、VD12；V07与VD07反向并联，V08与VD08反向并联，V09与VD09反向并联，V10与VD10反向并联，V11与VD11反向并联，V12与VD12反向并联；V07阴极与V08阳极相连，V09阴极与V10阳极相连，V11阴极与V12阳极相连；V07阳极、V09阳极、V11阳极与直流传输线U2连接，V08阴极、V10阴极、V12阴极与直流传输线U3连接；变压器副边中的电压输出端A2相与V07阴极相连，电压输出端B2相与V09阴极相连，电压输出端C2相与V11阴极相连；
变直流电压三相逆变电路U03，包括V13、V14、V15、V16、V17、V18、V19、V20、V21、V22、V23、V24，VD13、VD14、VD15、VD16、VD17、VD18、VD19、VD20、VD21、VD22、VD23、VD24，V13与VD13反向并联，V14与VD14反向并联，V15与VD15反向并联，V16与VD16反向并联，V17与VD17反向并联，V18与VD18反向并联，V19与VD19反向并联，V20与VD20反向并联，V21与VD21反向并联，V22与VD22反向并联，V23与VD23反向并联，V24与VD24反向并联；V13阴极与V14阳极相连，V15阴极与V16阳极相连，V17阴极与V18阳极相连，V19阴极与V20阳极相连，V21阴极与V22阳极相连，V23的阴极与V24的阳极相连；
V14阴极与V15阳极相连，V18阴极与V19阳极相连，V22阴极与V23阳极相连，V13阳极、V17阳极、V21阳极与直流传输线U1连接，V16阴极、V20阴极、V24阴极与直流传输线U3连接；VD25阴极与V13阴极相连接，VD27阴极与V17阴极相连接，VD29阴极与V21阴极相连接，VD26阳极与V15阴极相连接，VD28阳极与V19阴极相连接，VD30阳极与V23阴极相连接，VD25、VD27、VD29的阳极与直流传输线U2连接，VD26、VD28、VD30的阴极与直流传输线U2连接；
所述的变压器T与三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02电连接，三相全桥四象限整流电路U01、三相全桥四象限整流电路U02与变直流电压三相逆变电路U03电连接，变直流电压三相逆变电路U03与永磁同步电机相连。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统，其特征在于：所述的变压器T包括原边和副边，变压器T原边为三相电源电压输入端A相、B相、C相，副边为两组，一组为三相电压输出端A1相、B1相、C1相，另一组为三相电压输出端A2相、B2相、C2相。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统，其特征在于：所述的变直流电压三相逆变电路U03的V14阴极、V18阴极、V22的阴极分别与永磁同步电机三相输入端相连。
4.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统，其特征在于：所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统还包括直流接触器、电阻，KM01-1为直流接触器KM01的触点，KM02-1为直流接触器KM02的触点，KM02-1与电阻R01串联后，KM02-1、电阻R01再与KM01-1并联，KM01-1、KM02-1一端与V01、V03、V05阳极相连，另一端与直流传输线U1相连，KM01-2为直流接触器KM01的触点，KM02-2为直流接触器KM02的触点，KM02-2与电阻R02串联后，KM02-2、电阻R02再与KM01-2并联，KM02-2、KM01-2一端与V07、V09、V11阳极相连，另一端与直流传输线U2相连。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统，其特征在于：所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统还包括电容C01、电容C02，电容C01一端与直流传输线U1连接，另一端与直流传输线U2连接；电容C02一端与直流传输线U2连接，另一端与直流传输线U3连接。
6.永磁同步电机电动及发电交替运行调节方法，其特征在于：包括永磁同步电机电动发电恒速运行控制方法，永磁同步电动机跟随电压控制方法：
(1)永磁同步电机电动发电恒速运行控制方式包括：电动机恒速控制方法、发电机恒速控制方法，
电动机恒速控制方法包括以下步骤：
步骤1.在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度，
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系，
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度，
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量，
步骤5.控制定子绕组电流的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小，
步骤6.控制定子绕组端电压幅值，从而控制定子绕组电流的大小，
步骤7.控制变直流电压三相逆变电路U03的逆变输出电压，从而控制定子绕组端电压幅值的大小，
发电机恒速控制方法包括以下步骤：
步骤1，在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度，
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系，
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度，
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量，
步骤5.控制变直流电压三相逆变电路U03输出的等效电压的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小；
(2)永磁同步电动机跟随电压控制方法：
包括四种不同运行方式：
第一种电压调节方法：
步骤1.V14、V18、V22一直给开通控制信号，V16、V20、V24一直给关断控制信号，
步骤2.V13和V15呈互补性控制，即给V13开通信号时给V15关断信号，给V13关断信号时给V15开通信号，
步骤3.V17和V19呈互补性控制，即给V17开通信号时给V19关断信号，给V17关断信号时给V19开通信号，
步骤4.V21和V23呈互补性控制，即给V21开通信号时给V23关断信号，给V21关断信号时给V23开通信号，
步骤5.这样构成了第一个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12，即为Ud/4，
第二种电压调节方法：
步骤1.V15、V19、V23一直给开通控制信号，V13、V17、V21一直给关断控制信号；
步骤2.V14和V16呈互补性控制，即给V14开通信号时给V16关断信号，给V14关断信号时给V16开通信号；
步骤3.V18和V20呈互补性控制，即给V18开通信号时给V20关断信号，给V18关断信号时给V20开通信号；
步骤4.V22和V24呈互补性控制，即给V22开通信号时给V24关断信号，给V22关断信号时给V24开通信号；
步骤5.这样构成了第二个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U23，即为Ud/2；
第三种电压调节方法：
步骤1.V13、V14和V15、V16呈互补性控制，即给V13、V14接通信号时给V15、V16关断信号，给V13、V14关断信号时给V15、V16开通信号；
步骤2.V17、V18和V19、V20呈互补性控制，即给V17、V18开通信号时给V19、V20关断信号，给V17、V18关断信号时给V19、V20开通信号；
步骤3.V21、V22和V23、V24呈互补性控制，即给V21、V22开通信号时给V23、V24关断信号，给V21、V22关断信号时给V23、V24开通信号；
步骤4.这样构成了第三个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12加U23，即为3Ud/4；
第四种电压调节方法：
步骤1.U01工作在四象限整流状态下；
步骤2.调节电压U12，使电压U12等于U23的电压，并且U12与U23的电压相加为电压Ud；
步骤3.U03按照三电平逆变方式运行。
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