CN201789464U - 电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置 - Google Patents

Abstract

一种电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置，同步电动机转子励磁绕组连接至转子直流电源；同步电动机定子绕组与定子功率变换器相连接，定子功率变换器通过三相电源开关连接至定子三相交流电源；电压互感器的两个测量端分别连接至同步电动机转子励磁绕组两端，电压互感器的输出端连接至系统控制器；系统控制器分别与定子功率变换器和转子直流电源相连接，系统控制器上连接有信号设置设备；该装置没有机械速度传感器，利用同步电机本身的电磁结构，采用定子一相注入高频信号的方法直接测出电机的转速，简化了系统的组成，提高了系统的可靠性以及速度控制的精度。

Description

电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种同步电动机的测量控制装置，特别是一种电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置。

背景技术

在高性能的同步电动机矢量控制系统中，转子位置和速度的闭环控制环节必不可少。基于速度传感器的控制系统，采用光电码盘、测速发电机等机械速度传感器来进行电机速度检测，并反馈转速信号。这些系统对转子位置的检测能力较差，同时机械速度传感器存在安装问题，并且增加了系统的维护工作量。

目前的无速度传感器控制系统，利用检测电机定子电压、电流等物理量，结合转子磁路的不对称性进行位置和速度估计以取代机械传感器。该系统解决了机械速度传感器带来的问题，降低了系统成本，但是目前的估算方法对电机参数的依赖性强，而且计算和控制比有传感器系统复杂，响应较慢，低速动态响应特性较差。

因此，良好的转子位置与速度测量方法和装置是提高同步电动机拖动控制系统可靠性和准确性的技术保障。

发明内容

本实用新型的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置，解决同步电动机速度闭环控制系统硬件结构复杂的问题，同时提高控制系统的可靠性和准确性。

为实现上述目的，本实用新型电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置，同步电动机转子励磁绕组连接至转子直流电源；同步电动机定子绕组与定子功率变换器相连接，定子功率变换器通过三相电源开关连接至定子三相交流电源；电压互感器的两个测量端分别连接至同步电动机转子励磁绕组两端，电压互感器的输出端连接至系统控制器；系统控制器分别与定子功率变换器和转子直流电源相连接，系统控制器上连接有信号设置设备；所述的电压互感器与系统控制器之间连接有信号滤波器。

有益效果：由于采用了上述方案，在转子位置和速度测量的装置中不采用机械速度传感器装置，利用电励磁同步电动机本身的机械结构和其中的电磁关系，使用定子侧注入高频信号的方法，测量出转子位置和速度，达到了良好的控制效果。对隐极式电励磁同步电动机和凸极式电励磁同步电动机都适用。对于电励磁同步电动机速度闭环控制系统省略了机械速度传感器，简化了系统结构，增强了系统的可靠性，提高了速度控制的精度。解决了同步电动机速度闭环控制系统硬件结构复杂的问题，提高了控制系统的可靠性和准确性。

附图说明

图1为电励磁同步电动机转子位置与速度测量原理图；

图2为电励磁同步电动机转子位置与速度的测量及控制系统图。

图中：1、定子三相交流电源；2、三相电源开关；3、定子功率变换器；4、信号设置设备；5、系统控制器；6、信号滤波器；7、电压互感器；8、转子直流电源；9、同步电动机定子绕组；10、同步电动机定子；11、同步电动机转子；12、同步电动机转子励磁绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一个实施例作进一步的描述：

本实用新型电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置，主要由电励磁同步电动机及其测量控制系统组成，同步电动机转子励磁绕组12连接至转子直流电源8；同步电动机定子绕组9与定子功率变换器3相连接，定子功率变换器3通过三相电源开关2连接至定子三相交流电源1；定子功率变换器3采用常规的功率变换器；电压互感器7的两个测量端分别连接到同步电动机转子励磁绕组12的两端，电压互感器7的输出端经信号滤波器6连接到系统控制器5；信号滤波器6采用目前常规的信号滤波器；信号设置设备4与系统控制器5连接，信号设置设备4为常规电路，系统控制器5采用常规的控制器；系统控制器5同时与定子功率变换器3和转子直流电源8相连接。系统控制器5依据信号设置设备4的输入信号和检测出的转子速度信号对定子功率变换器3和转子直流电源8进行控制。

工作原理及工作过程：通过系统控制器5控制定子功率变换器3，控制定子功率变换器3输出三相交流电压u_u，u_v，u_w，为同步电动机定子绕组9供电。另一方面在定子绕组U相的交流电压中叠加一个频率为f_H的高频电压信号；在同步电动机定子绕组U相中注入频率为f_H的高频励磁信号，从同步电动机转子励磁绕组12中感应出与转子角度θ成余弦关系的频率为f_H的高频电势信号；信号滤波器6提取电压互感器7检测出的频率为f_H的高频电势信号，系统控制器5计算出同步电动机的转子位置角度，利用转子角度θ对时间的导数计算转子速度n_r；系统控制器5依据信号设置设备4的输入信号和检测出的转子速度信号对定子功率变换器3和转子直流电源8进行控制；定子功率变换器3和转子直流电源8依据系统控制器5所发出的控制信号改变输出，从而快速准确地控制同步电动机的转速。

定义同步电动机定子U相绕组的相轴为U轴，转子磁极N的轴线(即转子直流励磁绕组轴线)为d轴，二者的空间夹角的电角度为θ。如果同步电动机极对数为P，则U轴与d轴夹角的机械角度θ_r与电角度为θ的关系为：

θ＝P×θ_r    (1)

当同步电动机定子U相绕组中施加频率为f_H的高频电压信号时，会在U轴位置产生频率为f_H的高频脉振磁场。当转子转动到d轴与定子U相绕组相轴(即U轴)的空间夹角的电角度为θ时，转子励磁绕组感应出的频率为f_H的高频变压器电势E_rH大小为：

E_rH＝E_Hcosθ    (2)

式中，E_H为转子d轴与U轴的空间夹角的电角度为0时，转子励磁绕组感应出的频率为f_H的高频变压器电势。可见，转子励磁绕组中感应的频率为f_H的高频电势与转子位置的电角度θ成余弦关系，通过检测转子励磁绕组中频率为f_H的高频电势，就可以利用式(2)计算出转子位置的电角度θ。

将测出的转子位置角θ进行对时间t的导数计算，并结合式(1)，就可以计算出转子的速度n_r为：

$n_r=\frac{9.55}{P}\×\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

将测出的转子位置和速度信号反馈给系统控制器5，就构成了同步电动机的速度闭环控制系统，可以对同步电动机拖动系统的速度进行准确的控制。

Claims (2)

1.一种电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置，其特征是同步电动机转子励磁绕组(12)连接至转子直流电源(8)；同步电动机定子绕组(9)与定子功率变换器(3)相连接，定子功率变换器(3)通过三相电源开关(2)连接至定子三相交流电源(1)；电压互感器(7)的两个测量端分别连接至同步电动机转子励磁绕组(12)两端，电压互感器(7)的输出端连接至系统控制器(5)；系统控制器(5)分别与定子功率变换器(3)和转子直流电源(8)相连接，系统控制器(5)上连接有信号设置设备(4)。

2.根据权利要求1所述的电励磁同步电动机的转子位置与速度测量控制装置，其特征是：所述的电压互感器(7)与系统控制器(5)之间连接有信号滤波器(6)。

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