CN201138792Y

CN201138792Y - 同步调速电动机及其控制装置

Info

Publication number: CN201138792Y
Application number: CNU2007201333040U
Authority: CN
Inventors: 陈德义
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2017-12-29

Abstract

本实用新型公开了一种同步调速电动机及其控制装置。电动机包括定子、转子和控制装置，定子回路和转子回路相互独立，控制装置的两路输出分别连接到定子回路和转子励磁回路，控制装置包括相位比较电路、中心处理器、脉宽调制电路和变频调速电路，中心处理器的两路输出分别连接到脉宽调制电路和变频调速电路的输入控制端口；变频调速电路的输出端口连接到电动机定子回路，脉宽调制电路的输出端口连接到电动机转子励磁回路；相位比较电路的输入端与电动机定子回路相耦合，相位比较电路的输出端连接到中心处理器。本实用新型的同步调速电动机抗过载能力强；电机无转差，调速精度高；电路结构简单，系统复杂度低，控制精度高，成本低。

Description

同步调速电动机及其控制装置

技术领域

本实用新型涉及电动机，特别地，涉及一种同步调速电动机及其控制装置。

背景技术

电机调速系统的控制分为开环控制和闭环控制，开环控制系统结构简单实现方便，但是控制精度不高，抗干扰能力差。闭环控制可以达到更高的控制精度，系统的各种扰动对输出几乎无影响，而且能够使调速系统的过渡过程性能指标改善。目前，对于电机调速的闭环控制的一般通过速度传感器、测速发电机等采集输出转速作为反馈量，而控制对象则为定子回路的电流、电压、频率等。

但是，由于速度传感器、测速发电机等机械检测元件的引入，一方面增加了系统复杂度，另一方面对检测元件的测量精度有很高要求，给电机控制系统的设计增加了难度。而以定子回路的电压电流等作为控制对象，如异步电机的矢量变频控制，则通常控制电路复杂，成本高昂。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种系统结构简单，工作稳定的电动机闭环控制装置及电动机。

本实用新型首先提出了一种同步调速电动机控制装置，包括相位比较电路、中心处理器、脉宽调制电路和变频调速电路，中心处理器的两路输出分别连接到脉宽调制电路和变频调速电路的控制输入端口；所述变频调速电路的输出端口连接到电动机定子回路，所述脉宽调制电路的输出端口连接到电动机转子励磁回路；所述相位比较电路的输入端与电动机定子回路相耦合，相位比较电路的输出端连接到中心处理器。

优选地，所述变频调速电路包括整流电路、制动中间电路和逆变电路，电网电压连接到整流电路的输入端口，整流电路的输出端口连接到制动中间电路的输入端口，制动中间电路的输出端口连接到逆变电路的输入端口，逆变电路的输出端口与定子绕组连接；中间制动电路的控制端口与中心处理器的一路输出端口连接。

优选地，所述相位比较电路包括电流互感器、带通滤波电路和比较电路，电流互感器耦合到电动机定子回路，其输出连接到带通滤波电路的输入端，带通滤波电路的输出端连接到比较电路的一个输入端，比较电路的另一个输入端与变频调速电路的电压输出端相耦合，比较电路的输出端连接到中心处理器。

本实用新型还提出了一种同步调速电动机，包括定子、转子和控制装置，电动机的定子回路和转子回路相互独立，控制装置的两路输出分别连接到定子回路和转子励磁回路，所述控制装置包括相位比较电路、中心处理器、脉宽调制电路和变频调速电路，所述中心处理器的两路输出分别连接到脉宽调制电路和变频调速电路的输入控制端口；所述变频调速电路的输出端口连接到电动机定子回路，所述脉宽调制电路的输出端口连接到电动机转子励磁回路；所述相位比较电路的输入端与电动机定子回路相耦合，相位比较电路的输出端连接到中心处理器。

优选地，所述电动机的转子结构包括转轴304、轴承402、组合滑环406、铁芯冲片301、转子励磁绕组303、槽木405和绝缘板302；所述铁芯冲片301为中心开孔的圆片，铁芯冲片圆周上开有等间距的凹槽，多个铁芯冲片叠置成转子铁芯，转轴304从转子铁芯中心的通孔穿过，在转子铁芯的两端分别依次为轴承402和组合滑环406，转子励磁绕组303从铁芯冲片上的凹槽中通过，凹槽中还有槽木和绝缘板。

本实用新型的同步调速电动机及其控制装置，综合了变频调速和同步电机的优点，可以取得以下有益效果：结构简单，无需速度或位置传感器，系统复杂度低；电机无转差，调速精度高；抗过载能力强；过渡过程性能指标优良；在保持转速不变情况下，可提高输出转矩；成本低廉。与异步变频调速相比，电机输入端功率因数几乎为一，转换效率高，且在变频运行时可实现转矩恒定；与永磁同步电机相比，克服了其输出转矩不能自行调整，发电运行时污染电网和谐波分量增加的缺点，而且铁磁体不存在退磁的问题。

附图说明

下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式加以说明，附图中：

图1是本实用新型同步调速电动机控制装置电路方框示意图；

图2是本实用新型同步调速电动机及控制装置实施例结构示意图；

图3是本实用新型同步调速电动机的转子切片示意图；

图4是本实用新型同步调速电动机的转子结构剖视示意图。

具体实施方式

图1是本实用新型同步调速电动机控制装置电路方框示意图。电动机为铁磁同步电动机，定子回路和转子励磁回路相互独立；对应于电动机，控制装置也有主回路和转子励磁回路两路输出。主回路为变频输出，转子励磁回路为脉宽调制输出。中心处理器的两路输出分别连接到脉宽调制电路和变频调速电路的控制输入端口；变频调速电路的输出端口连接到电动机定子回路，脉宽调制电路的输出端口连接到电动机转子励磁回路；相位比较电路的输入端与电动机定子回路相耦合，相位比较电路的输出端连接到中心处理器。

其中，相位比较电路的作用在于检测控制装置给定子回路的输出电压和电流之间的相位关系，并将比较结果输送到中心控制器。例如，相位比较电路包括电流互感器、带通滤波电路和比较电路，电流互感器耦合到电动机定子回路，其输出连接到带通滤波电路的输入端，带通滤波电路的输出端连接到比较电路的一个输入端，比较电路的另一个输入端与变频调速电路的电压输出端相连接，比较电路的输出端连接到中心处理器。

比较电路的一种优选的实施方式是包括电压比较器和电流比较器，将输入比较电路的电压和电流分别转换成方波信号，再将电压方波信号与电流方波信号进行比较，通过比较结果得出电压与电流的相位关系。例如，以电压方波信号的上升沿为基准，得到电流方波信号和电压方波信号的差值脉冲信号作为相位比较电路的输出送入到中心处理器。中心处理器对差值脉冲信号进行分频以使其和脉宽调制电路的载波相适应，并将分频后的信号作为脉宽调制电路的一组调制信号用来控制脉宽输出。

图2是本实用新型同步调速电动机及控制装置实施例结构示意图。其中，变频调速电路包括整流电路、制动中间电路和逆变电路，电网电压连接到整流电路的输入端口，整流电路的输出端口连接到制动中间电路的输入端口，制动中间电路的输出端口连接到逆变电路的输入端口，逆变电路的输出端口与电动机M定子绕组连接；中间制动电路的控制端口与中心处理器的一路输出端口连接。

电动机通过控制装置与电源连接，电动机的输出轴与负载耦合，控制装置可以根据负载要求设定所需转速和转矩，或不同的转矩和转速分段运行。

当电机起动时，定转子同时上电，控制装置有两路输出，一路是给转子的直流励磁磁场回路，另一路是给定子绕组的变频调速回路，因为改变转子磁场强度或定子电流幅值均可以改变输出转矩的大小，所以可在转速不变的前提下调整输出转矩。

运行中，负载增大或减小时，都会在控制装置的输出电流和输出电压的相位上有所反映，定子旋转磁场与转子以同的转速和方向运转，当转子磁场轴线滞后于定子磁场轴线时，控制装置输出的电流滞后于输出电压，功率因数滞后，电流互感器检测到的控制装置输出电流的相位信号与输出电压相位信号进行比较，以差值来控制转子磁场励磁的脉冲宽度，使转子磁场增强，促使转子磁场轴线前移，达到定转子磁场轴线重合功率因数近似为一，并锁定脉宽幅值不变。当负载突然减小时，转子磁场前移，电动机处于发电状态，功率因数超前，脉宽调制器将减小输出，使转子磁场减弱，转子磁场后移，功率因数回到一。如果由于负载的因素使电机处于被动地位，比如油井中常见的抽油机不平衡，负载拉着电机旋转，电机处于发电机状态，转子磁场以减到最小，电机电流反向，电动机状态电流是从控制装置流向电动机，发电状态是电流由电机流向控制装置，控制装置检测到这一信号后，将关闭输出，打开制动回路，使电机处于发电制动状态，此时由于转子磁场很弱，电机的发电量并不大，当发电电流为零，控制装置重新按原来工作状态输出，并调整转子磁场强度，使功率因数回到一。

例如，以一路40-450V，0.3-10A的可调直流电压输出作为转子磁场的励磁电源，具体的工作过程是：上电时，中心处理器控制脉宽调制电路全压输出，没有延时，使电机运行10-60秒(可调)，之后进入调制输出状态，负载轻时电机电流超前，输出脉宽减小，输出电压下降至功率因数为1-0.98时并锁定不变，脉宽调制输出最小的约40伏时，如功率因数仍超前，逆变器的输出电压高于输入电压，电机处于发电状态，控制装置内的制动电路动作使斩波器工作，反馈的电能经制动电阻能耗制动，当输出电压低于输入电压时，逆变器重新输出；负载增加，电机电流滞后，脉宽增加输出电压提高，使功率因数达到0.98-1之间。

可采用单片机作为中心处理器，每2-3毫秒(ms)对电压和电流的相位进行一次检测和输出脉宽调制，虽然有一定的时间滞后，但由于电机的惯性作用，负载引起电流改变到脉宽调制改变输出电压的时间极短，约2--3ms，反应迅速，在额定范围内不会失步，同时，控制装置在380V以上调速时，由于脉宽调制输出电压范围宽，转子磁场未饱和时，仍可以恒转矩调速。脉宽调制电路与控制装置主回路同步工作，保护电路动作时，与逆变器同时停止输出。

图3是本实用新型同步调速电动机的转子切片示意图。图4是本实用新型同步调速电动机的转子结构剖视示意图。铁芯冲片301为中心开孔的圆片，铁芯冲片圆周上开有等间距的凹槽，多个铁芯冲片叠置成转子铁芯403，转轴304从转子铁芯中心的通孔穿过，在转子铁芯的两端分别依次为轴承402和组合滑环406，转子励磁绕组303从铁芯冲片上的凹槽中通过，凹槽中还有槽木405和绝缘板302。

要说明的是，以上具体实施方式只是作为本实用新型的优选实施例列举于此，并不能以此作为对本实用新型范围的限定。本领域的一般技术人员在本实用新型公开的指引下，可以很容易地对本实用新型进行修改和等效替换，这些修改和替换将会落入本实用新型的保护范围。因此，本实用新型并不局限于此处所公开的具体实施例，而是所有落入本实用新型权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims

1、一种同步调速电动机控制装置，其特征在于，包括相位比较电路、中心处理器、脉宽调制电路和变频调速电路，所述中心处理器的两路输出分别连接到所述脉宽调制电路和所述变频调速电路的控制输入端口；所述变频调速电路的输出端口连接到电动机定子回路，所述脉宽调制电路的输出端口连接到电动机转子励磁回路；所述相位比较电路的输入端与电动机定子回路相连接，所述相位比较电路的输出端连接到所述中心处理器。

2、根据权利要求1所述的同步调速电动机控制装置，其特征在于，所述变频调速电路包括整流电路、制动中间电路和逆变电路，电网电压连接到所述整流电路的输入端口，所述整流电路的输出端口连接到所述制动中间电路的输入端口，所述制动中间电路的输出端口连接到所述逆变电路的输入端口，所述逆变电路的输出端口与定子绕组连接；所述中间制动电路的控制端口与所述中心处理器的一路输出端口连接。

3、根据权利要求1所述的同步调速电动机控制装置，其特征在于，所述相位比较电路包括电流互感器、带通滤波电路和比较电路，所述电流互感器耦合到电动机定子回路，其输出连接到所述带通滤波电路的输入端，所述带通滤波电路的输出端连接到所述比较电路的一个输入端，所述比较电路的另一个输入端与所述变频调速电路的电压输出端相耦合，所述比较电路的输出端连接到所述中心处理器。

4、一种同步调速电动机，包括定子、转子和控制装置，电动机的定子回路和转子回路相互独立，所述控制装置的两路输出分别连接到定子回路和转子励磁回路，其特征在于，所述控制装置包括相位比较电路、中心处理器、脉宽调制电路和变频调速电路，所述中心处理器的两路输出分别连接到所述脉宽调制电路和所述变频调速电路的输入控制端口；所述变频调速电路的输出端口连接到电动机定子回路，所述脉宽调制电路的输出端口连接到电动机转子励磁回路；所述相位比较电路的输入端与电动机定子回路相耦合，所述相位比较电路的输出端连接到所述中心处理器。

5、根据权利要求4所述的同步调速电动机，其特征在于，所述变频调速电路包括整流电路、制动中间电路和逆变电路，电网电压连接到所述整流电路的输入端口，所述整流电路的输出端口连接到所述制动中间电路的输入端口，所述制动中间电路的输出端口连接到所述逆变电路的输入端口，所述逆变电路的输出端口与定子绕组连接；所述中间制动电路的控制端口与所述中心处理器的一路输出端口连接。

6、根据权利要求4所述的同步调速电动机，其特征在于，所述相位比较电路包括电流互感器、带通滤波电路和比较电路，所述电流互感器耦合到电动机定子回路，其输出连接到带通滤波电路的输入端，所述带通滤波电路的输出端连接到所述比较电路的一个输入端，所述比较电路的另一个输入端与所述变频调速电路的电压输出端相耦合，所述比较电路的输出端连接到所述中心处理器。

7、根据权利要求4所述的同步调速电动机，其特征在于，所述比较电路包括电压比较器和电流比较器，所述带通滤波电路的输出端连接到所述电流比较电路的输入端，所述变频调速电路的电压输出端连接到所述电压比较电路的输入端，所述电压比较器的输出和所述电流比较器的输出通过一反向求和电路做差后，将差值脉冲输出端连接到所述中心处理器。

8、根据权利要求4或5或6或7所述的同步调速电动机，其特征在于，所述电动机的转子结构包括转轴、轴承、组合滑环、铁芯冲片、转子励磁绕组、槽木和绝缘板；所述铁芯冲片为中心开孔的圆片，所述铁芯冲片圆周上开有等间距的凹槽，多个铁芯冲片叠置成转子铁芯，所述转轴从转子铁芯中心的通孔穿过，在转子铁芯的两端分别依次为所述轴承和所述组合滑环，所述转子励磁绕组从所述铁芯冲片上的凹槽中通过，凹槽中还有所述槽木和所述绝缘板。