CN108448980A - 一种新型的变速系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种新型的变速系统，涉及机械变速技术领域，包括电力电子变换单元、自适应滑膜控制单元、调速控制单元和功率检测单元；本新型变速系统通过这四个主要功能单元的相互协作，解决了传统变速系统中快速性差、系统静动态特性不理想、稳态精度差、系统的稳定性差等问题，本变速系统是一种转速、频率、功率优化系统，既能变速又能改变频率，可以实现电动机的对各种场合的需求，且适合轻、中、重各类型应用的新型无级变速。

Description

一种新型的变速系统

技术领域

本申请涉及机械变速技术领域，特别涉及一种新型的变速系统。

背景技术

电动机(Motors)是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。

电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

目前，电动机变速系统在当今的工业生产中应用相当广泛。传统的变速系统对于运行性能要求很高的电力系统还存在着很多不足，快速性还不够好，变速系统静动态特性都不理想，具有稳态精度差，变速系统的稳定性差等缺点。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种新型的变速系统，以解决目前传统变速系统对于运行性能要求很高的电力系统还存在着很多不足，快速性还不够好，变速系统静动态特性都不理想，具有稳态精度差，变速系统的稳定性差等技术问题。

为了实现申请目的，本申请提供了一种新型的变速系统，包括电力电子变换单元、自适应滑膜控制单元、调速控制单元和功率检测单元；

其中，所述电力电子变换单元，用于将电网的高压电流经过降压变压器降为中低压电流，以便利用所述中低压电流驱动低压交流电动机；所述电力电子变换单元由降压变压器、可控整流器、电抗器、储能模块、双向功率开关模块、逆变模块、均流变压器组成；所述均流变压器用于晶闸管从截止导通的过渡过程中的均流；

所述自适应滑膜控制单元为采用自适应滑膜变结构控制方法设计的转速控制器；所述自适应滑膜控制单元由电量信号采集电路、显示及报警电路、传感器、转速控制器、滑膜控制器组成；

所述调速控制单元，用于实现所述变速系统中各单元模块的控制处理；所述调速控制单元包括以DSP为核心加外围辅助电路组成的主控模块、和以CPLD为核心的逻辑切换模块、检测及驱动保护电路、开关电源、变频电路；

所述功率检测单元，用于实现检测电机的相电压和电流，并利用对瞬时功率积分再求平均值的方法，实现电机的基波或谐波功率参数进行调整优化；所述功率检测单元包括数字滤波模块、处理器、模数转换模块、检测装置。

优选的，所述降压变压器的输入端接高压电流输入端，所述降压变压器的第一输出端通过连接所述双向功率开关模块接到中低压电流输出端，所述降压变压器的第二输出端顺序连接所述可控整流器、所述电抗器、所述逆变模块，并最后接到中低压电流输出端；所述储能模块接于所述电抗器的输出端，所述逆变模块还与所述均流变压器相连接。

优选的，所述降压变压器铁芯选用硅钢片，并采用全斜接缝无冲孔及拉带紧固结构，且初级、次级绕组至少一侧采用三角形接法以构成高次谐波吸收回路。

优选的，所述可控整流器和所述逆变模块采用的功率器件为两模块IGBT，且在每个IGBT模块两端并联了剩余电流装置RCD吸收电路；所述逆变模块为短路换相式电流型逆变电路。

优选的，所述自适应滑膜控制单元基于PMSM的矢量控制系统，所述矢量控制系统中分别设置转速外环以及电流内环的双闭环调节器，其中外环速度控制所需要的转子转速及矢量变换所需要的转子位置信息均由机械的转速、位置传感器/光电编码器提供。

优选的，所述低压交流电动机的驱动电路采用正弦电压空间矢量脉宽调制技术。

优选的，所述调速控制单元，具体用于电机转子磁链辨识、转速控制、双闭环控制，控制所述可控整流器或所述逆变模块的运行，输入和输出信号的处理以及每相预定个数的矢量PWM信号的产生。

优选的，所述主控模块，用于实现所述逆变模块算法，产生PWM信号及处理故障；

所述逻辑切换模块，用于根据预设算法经过切换处理，驱动每个IGBT模块并通过检测电平信号来驱动所述显示及报警电路；

所述检测及驱动保护电路，用于检测电压和电流信号，接收来自DSP主控模块和CPLD逻辑切换模块的PWM信号，并经过隔离放大作为IGBT模块的门极驱动信号，同时将IGBT模块的故障信号作为开关量送给DSP主控模块，以便作为DSP主控模块采取保护措施的依据；

所述开关电源包括控制电路的电源和驱动保护电路的电源；所述变频电路采用混合箝位式三电平结构的IGBT变换器；所述变频电路包括IGBT模块、续流二极管、箝位电容、直流滤波电容、传感元件、主开关和起动辅助回路。

优选的，所述调速控制单元，具体用于完成整流桥功率因数控制系统和逆变桥异步电机磁链定向调速系统的主要算法，主要完成三相可控整流桥的控制算法，并根据直流电容电压平衡和，功率因数为1的目标和实际的采样数据，以及实现电压、电流双闭环控制和电压空间PWM算法。

优选的，所述功率检测单元具体利用基于DSP和传感器的检测装置实时检测电机的相电压和电流信号，通过所述模数转换模块，将检测到的电压和电流信号转换成为数字信号，再通过所述数字滤波模块数字滤波处理，所述处理器利用对瞬时功率积分再求平均值的方法，实现电机的基波或谐波功率参数进行调整优化。

本申请提供的一种新型的变速系统，与目前传统的变速系统相比，本新型的变速系统通过电力电子变换单元使得系统输入具有高效率，利用均流变压器实现晶闸管从截止导通的过渡过程中的均流，使系统输出稳定的电压和电流信号；且本系统通过自适应滑膜控制单元对系统进行平滑调速使得系统具有很好的鲁棒性和自适应，抗干扰性强、对外界扰动敏感度弱、响应速度快，同时实现系统的连续调速；本系统通过调速控制单元使得系统能速比变化范围增大，超调量低，抗干扰性能好，通过功率检测单元可以实时得到瞬时功率。本新型的变速系统解决了传统变速系统中快速性差、系统静动态特性不理想、稳态精度差、系统的稳定性差等问题，是一种转速、频率、功率优化系统，该系统既能变速又能改变频率，实现电动机的对各种场合的需求，且适合轻、中、重各类型应用的新型无级变速。

附图说明

图1为本申请实施例中一种新型的变速系统的结构示意图；

图2为本申请实施例中电力电子变换单元的具体结构示意图；

图3为本申请实施例中自适应滑膜控制单元的具体结构示意图；

图4为本申请实施例中功率检测单元的具体结构示意图；

图5为本申请实施例中一种新型的变速系统的具体结构示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

为了克服目前传统变速系统对于运行性能要求很高的电力系统还存在着很多不足，快速性还不够好，变速系统静动态特性都不理想，具有稳态精度差，变速系统的稳定性差等缺点。本申请实施例提供了一种新型的变速系统，如图1所示，为本申请实施例中新型的变速系统的结构示意图，包括电力电子变换单元11、自适应滑膜控制单元12、调速控制单元13和功率检测单元14。

其中，电力电子变换单元11，可以用于将电网的高压电流经过降压变压器降为中低压电流，以便利用中低压电流驱动低压交流电动机，这种方式的优点在于使用价格相对低廉的中低压变频器和低压交流电动机，使之所需的输入电压与变频器的输比电压相适应，比较灵活，使得整个系统的成本会降低很多。

电力电子变换单元11的具体结构可以由降压变压器、可控整流器、电抗器、储能模块、双向功率开关模块、逆变模块(逆变器)、均流变压器等几部分组成，这些部件相互配合实现电力电子变换单元11的电力电子变换功能；而均流变压器用于晶闸管从截止导通的过渡过程中的均流，在本实施例中，如果并联支路除晶闸管外的电路参数一致，则器件开通的延迟时间的不一致是动态不均流的主要原因，为了解决该问题可以选用均流变压器。

自适应滑膜控制单元12可以为采用自适应滑膜变结构控制方法设计的转速控制器。目前在传统系统中，由于切换装置不可避免地存在惯性，滑模变结构系统在不同的控制逻辑中来回切换，导致实际滑模不是准确地发生在切换面上，引起系统剧烈的抖振。抖振不仅降低了稳态定位精度，还可能引起非模型的动态响应和机械损伤；另外滑模控制在系统参数不确定的条件下控制效果也不理想，因此本实施例中的新型变速系统采用滑模与自适应结合的方法。自适应滑模控制是滑模变结构控制与自适应控制的有机结合，是一种解决参数不确定或时变参数系统控制问题的一种新型控制策略，提出自适应滑模控制来抑制参数不确定问题，可有效地降低滑模控制的抖振。

自适应滑膜控制单元12的具体结构可以由电量信号采集电路、显示及报警电路、传感器、转速控制器、滑膜控制器等几部分组成，这些部件相互配合实现自适应滑膜控制单元12的自适应滑膜控制功能。

调速控制单元13，可以用于实现本新型变速系统中各单元模块的控制处理；调速控制单元13的具体可以包括以数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)为核心加外围辅助电路组成的主控模块、和以复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammable LogicDevice，CPLD)为核心的逻辑切换模块、检测及驱动保护电路、开关电源、变频电路等几部分；

功率检测单元14，可以用于实现实时检测电机的相电压和电流，并利用对瞬时功率积分再求平均值的方法，实现电机的基波或谐波功率参数进行调整优化；功率检测单元14的具体结构可以包括数字滤波模块、处理器、模数(A/D)转换模块、检测装置等几部分。

本实施例中的新型变速系统通过上述四个主要功能单元的相互协作，使得系统既能变速又能改变频率，实现电动机的对各种场合的需求，且适合轻、中、重各类型应用的新型无级变速。本新型的变速系统解决了传统变速系统中快速性差、系统静动态特性不理想、稳态精度差、系统的稳定性差等问题，是一种转速、频率、功率优化系统。

下面说明本新型变速系统各单元的具体结构，优选的，如图2所示，电力电子变换单元11中各模块之间的连接关系包括：降压变压器1101的输入端接高压电流输入端，降压变压器1101的第一输出端通过连接双向功率开关模块1102接到中低压电流输出端，降压变压器1101的第二输出端顺序连接可控整流器1103、电抗器1104、逆变模块1105并最后接到中低压电流输出端；储能模块1106接于电抗器1104的输出端，逆变模块1105还与均流变压器1107相连接。

优选的，降压变压器1101铁芯选用导磁性强、损耗低的硅钢片，并采用全斜接缝无冲孔及拉带紧固结构以大幅度减少空载损耗。初级、次级绕组至少一侧采用三角形(△形)接法以构成高次谐波吸收回路，阻抗设计满足工频减压启动需要，引线端绝缘加固。上述措施可使变压器具有高效率，变频降压并可吸收高次谐波，可使电压总畸变率低于国标限值。

本系统采用性能稳定价格便宜的油浸式变压器，优选的，可控整流器1103和逆变模块1105采用的功率器件为两单元绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolarTransistor，IGBT)模块BSM75GBl20DN2，每单元额定电压为1200V，T＝25℃时的额定电流为75A，内含反并联快恢复二极管。目前传统变速系统中，在输出的线电压上会产生尖峰电压，这样对电动机的运行不利，也使晶闸管和二极管耐压水平需提高，换相电容要有足够大的容量才能保证换相的完成，使用电容器的数量也较多，价格相应高，仅适用于负载变化较小的传动装置，为了解决该问题并且保证IGBT安全运行，在每个IGBT模块两端并联了剩余电流装置(Residual Current Device，RCD)吸收电路，用以抑制功率开关通断时引起的尖峰电压。逆变模块为短路换相式电流型逆变电路，无感电容C＝1.5μF，R＝150Ω。悬浮电容可用470μF/450V的电解电容串并联而成。HNV025型电压霍尔传感器LV用于测量直流侧的两个电容及悬浮电容的电压值，电流霍尔传感器LA用于测量负载的电流。短路开关元件选用自关断型功率器件VMOS，开关元件的开关频率及开关速度要求高，而电流容量和电压等级的选择要高型号2SK1120(1000V、8A、150W)。换相电容器C型号为CJ40-1，电容量14μF，耐压1000V；平波电抗器电感量700mH。

本新型的变速系统通过电力电子变换单元11，可以使系统输入具有高效率，使系统输出稳定的电压和电流信号，输出具有高功率因数，用于交流调速可以不附加其它电路而实现再生制动，发生短路时危险小，对晶闸管关断时间的要求亦不高，动态特性好，调速范围宽等优点。

优选的，如图3所示，为自适应滑膜控制单元12的具体结构示意图，通过图3中各部件的协同操作实现自适应滑膜控制单元12的功能。自适应滑膜控制单元12基于永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor，PMSM)的矢量控制系统，整套PMSM的矢量控制系统建立在转子d-q坐标系上，该矢量控制系统中分别设置转速外环以及电流内环的双闭环调节器，其中外环速度控制所需要的转子转速及矢量变换所需要的转子位置信息均由机械的转速、位置传感器(光电编码器)提供。优选的，低压交流电动机的驱动电路采用正弦电压空间矢量脉宽调制技术。

本新型的变速系统通过自适应滑膜控制单元12，可以使得系统具有很好的鲁棒性和自适应，抗干扰性强、对外界扰动敏感度弱、响应速度快。

优选的，调速控制单元13，具体可以用于电机转子磁链辨识、转速控制、双闭环控制，控制可控整流器或逆变模块的运行，输入和输出信号的处理以及每相预定个数的矢量脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)信号的产生。例如，每相4个PWM信号的产生。因为每个桥臂共计2个开关管，每相仅需要两个独立的PWM信号，防止某一桥臂上下4个开关管被同时触发而直通。

优选的，主控模块以DSP为核心加外围辅助电路组成，主要功能是实现逆变器算法，产生PWM信号、处理故障等；逻辑切换模块以CPLD为核心，输入为DSP产生的PWM信号，根据所设定的算法经过切换处理，驱动12个IGBT，并通过检测电平信号来驱动显示及报警等电路；检测及驱动保护电路主要检测电压和电流信号，接受来自DSP和CPLD的PWM信号，经过隔离放大作为IGBT的门极驱动信号，同时将IGBT的故障信号。例如短路或过流信号作为开关量送给DSP，作为DSP采取保护措施的依据；开关电源主要包括控制电路的电源和驱动保护电路的电源，驱动保护电源共分12路。每个IGBT需要一路正负输出的开关驱动电源，由于3个桥臂最下面的3个IGBT共地，故可合用一个开关电源，但即便这样也需要13路驱动电源；变频电路是采用混合箝位式三电平结构的IGBT变换器。包括IGBT模块、续流二极管、箝位电容、直流滤波电容、传感元件、主开关和起动辅助回路。

优选的，调速控制单元13，具体用于完成整流桥功率因数控制系统和逆变桥异步电机磁链定向调速系统的主要算法，主要完成三相可控整流桥的控制算法，并根据直流电容电压平衡和，功率因数为1的目标和实际的采样数据，以及实现电压、电流双闭环控制和电压空间PWM算法。例如，控制系统采用TMS320C2812型32位定点DSP芯片，其时钟频率为150MHz，自带A/D转换电路。用于完成整流桥功率因数控制系统和逆变桥异步电机磁链定向调速系统的主要算法。主要完成三相可控整流桥的控制算法，根据直流电容电压平衡和，功率因数为1的目标和实际的采样数据，实现电压、电流双闭环控制和电压空间矢量PWM算法。所设计的DSP的另外两个PWM信号与这两个信号正好相反，CPLD根据DSP所发出的指令进行逻辑切换。

本新型的变速系统通过调速控制单元13，可以使得系统能速比变化范围增大，超调量低，抗干扰性能好。

优选的，功率检测单元14具体可以利用基于DSP和传感器的检测装置实时检测电机的相电压和电流信号，通过模数转换模块，将检测到的电压和电流信号转换成为数字信号，再通过数字滤波模块数字滤波处理，处理器利用对瞬时功率积分再求平均值的方法，实现电机的基波或谐波功率参数进行调整优化。

如图4所示，为功率检测单元14的具体结构示意图，功率电路的输入端接直流电源或交流电源整流，功率电路的开关按照一定规律通断，向电机的相绕组输出周期性脉冲电流，在定子与转子铁心中的磁场产生磁阻转矩，驱动转子旋转，相绕组电流是单极的，而且通过位置传感器实现闭环控制，因此要求功率电路强迫换相，以适时关断开关，并且要防止关断时刻由相绕组电感的续流产生的制动转矩，瞬态制动转矩使平均电动转矩降低，影响电动机的出力和效率。

其中图4内电源装置有电力电子变换单元11实现，公共开关装置里面的开关为电力电子变换单元11的开关模块，为了很好的回馈负载的能量，增加了续流装置，同时续流装置给稳压装置充电，同时也是磁场能量转换为电能回馈给电源。用DSP和传感器实时检测电机的相电压和电流，通过A/D转换模块，将电压和电流信号转换成为数字信号，再通过处理器数字滤波处理，利用对瞬时功率积分再求平均值的方法，实现电机的基波或谐波功率参数，进行调整优化。

本新型的变速系统通过功率检测单元14，能维持系统的功率在优化范围之内，并且可以控制电机运行在高效率区域，由于电动机的相电压和相电流均含有较多的谐波分量，如果要检测基波分量或某一次谐波分量的功率参数，通过直接功率检测单元14的方法可以实时得到的瞬时功率，并进行调整。

为了更好理解本新型变速系统的具体结构，给出如图5所示的结构示意图，本系统解决了传统变速系统中快速性差、系统静动态特性不理想、稳态精度差、系统的稳定性差等问题，是一种转速、频率、功率优化系统，该系统既能变速又能改变频率，实现电动机的对各种场合的需求，且适合轻、中、重各类型应用的新型无级变速。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型的变速系统，其特征在于，包括电力电子变换单元、自适应滑膜控制单元、调速控制单元和功率检测单元；

其中，所述电力电子变换单元，用于将电网的高压电流经过降压变压器降为中低压电流，以便利用所述中低压电流驱动低压交流电动机；所述电力电子变换单元由降压变压器、可控整流器、电抗器、储能模块、双向功率开关模块、逆变模块、均流变压器组成；所述均流变压器用于晶闸管从截止导通的过渡过程中的均流；

所述自适应滑膜控制单元为采用自适应滑膜变结构控制方法设计的转速控制器；所述自适应滑膜控制单元由电量信号采集电路、显示及报警电路、传感器、转速控制器、滑膜控制器组成；

所述调速控制单元，用于实现所述变速系统中各单元模块的控制处理；所述调速控制单元包括以数字信号处理DSP为核心加外围辅助电路组成的主控模块、和以复杂可编程逻辑器件CPLD为核心的逻辑切换模块、检测及驱动保护电路、开关电源、变频电路；

所述功率检测单元，用于实现实时检测电机的相电压和电流，并利用对瞬时功率积分再求平均值的方法，实现电机的基波或谐波功率参数进行调整优化；所述功率检测单元包括数字滤波模块、处理器、模数转换模块、检测装置。

2.根据权利要求1所述的新型的变速系统，其特征在于，所述降压变压器的输入端接高压电流输入端，所述降压变压器的第一输出端通过连接所述双向功率开关模块接到中低压电流输出端，所述降压变压器的第二输出端顺序连接所述可控整流器、所述电抗器、所述逆变模块，并最后接到中低压电流输出端；所述储能模块接于所述电抗器的输出端，所述逆变模块还与所述均流变压器相连接。

3.根据权利要求2所述的新型的数据存储器，其特征在于，所述降压变压器铁芯选用硅钢片，并采用全斜接缝无冲孔及拉带紧固结构，且初级、次级绕组至少一侧采用三角形接法以构成高次谐波吸收回路。

4.根据权利要求3所述的新型的数据存储器，其特征在于，所述可控整流器和所述逆变模块采用的功率器件为两模块绝缘栅双极型晶体管IGBT，且在每个IGBT模块两端并联了剩余电流装置RCD吸收电路；所述逆变模块为短路换相式电流型逆变电路。

5.根据权利要求4所述的新型的变速系统，其特征在于，所述自适应滑膜控制单元基于永磁同步电机PMSM的矢量控制系统，所述矢量控制系统中分别设置转速外环以及电流内环的双闭环调节器，其中外环速度控制所需要的转子转速及矢量变换所需要的转子位置信息均由机械的转速、位置传感器/光电编码器提供。

6.根据权利要求5所述的新型的变速系统，其特征在于，所述低压交流电动机的驱动电路采用正弦电压空间矢量脉宽调制技术。

7.根据权利要求6所述的新型的变速系统，其特征在于，

所述调速控制单元，具体用于电机转子磁链辨识、转速控制、双闭环控制，控制所述可控整流器或所述逆变模块的运行，输入和输出信号的处理以及每相预定个数的矢量脉冲宽度调制PWM信号的产生。

8.根据权利要求7所述的新型的变速系统，其特征在于，

所述主控模块，用于实现所述逆变模块算法，产生PWM信号及处理故障；

所述逻辑切换模块，用于根据预设算法经过切换处理，驱动每个IGBT模块并通过检测电平信号来驱动所述显示及报警电路；

所述检测及驱动保护电路，用于检测电压和电流信号，接收来自DSP主控模块和CPLD逻辑切换模块的PWM信号，并经过隔离放大作为IGBT模块的门极驱动信号，同时将IGBT模块的故障信号作为开关量送给DSP主控模块，以便作为DSP主控模块采取保护措施的依据；

所述开关电源包括控制电路的电源和驱动保护电路的电源；所述变频电路采用混合箝位式三电平结构的IGBT变换器；所述变频电路包括IGBT模块、续流二极管、箝位电容、直流滤波电容、传感元件、主开关和起动辅助回路。

9.根据权利要求8所述的新型的变速系统，其特征在于，

所述调速控制单元，具体用于完成整流桥功率因数控制系统和逆变桥异步电机磁链定向调速系统的主要算法，主要完成三相可控整流桥的控制算法，并根据直流电容电压平衡和，功率因数为1的目标和实际的采样数据，以及实现电压、电流双闭环控制和电压空间PWM算法。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的新型的变速系统，其特征在于，所述功率检测单元具体利用基于DSP和传感器的检测装置实时检测电机的相电压和电流信号，通过所述模数转换模块，将检测到的电压和电流信号转换成为数字信号，再通过所述数字滤波模块数字滤波处理，所述处理器利用对瞬时功率积分再求平均值的方法，实现电机的基波或谐波功率参数进行调整优化。