CN201956952U - 交流永磁同步电动机绕组调速装置 - Google Patents

Abstract

一种交流永磁同步电动机绕组调速装置，从根本上解决了现有技术存在的调速范围窄、使用固定段进行无级调速的缺陷。它包括由控制单元、继电器单元、接触器单元和驱动单元进行调速控制的永磁同步电动机，其技术要点是：控制单元驱动继电器单元、接触器单元以及驱动单元，对永磁同步电动机的速度段进行选择，并使所述永磁同步电动机的定子绕组每相串联线圈组数变换，实现永磁同步电动机转速切换，完成速度段选择的有级调速。其设计合理，结构简单，在低速时能够输出大转矩，且可以满足高转速运行要求，使永磁同步电动机具有调速范围宽、效率高、体积小，功率密度高，节能，省材料等优点，同时可大大降低控制系统的容量，减少整个系统的体积和成本。

Description

交流永磁同步电动机绕组调速装置

技术领域

本实用新型涉及一种电动机调速装置，特别是一种利用控制单元驱动继电器单元控制接触器单元改变定子绕组连接方式，以实现低速大转矩宽调速的交流永磁同步电动机绕组调速装置，其调速范围为0.1rpm—6000rpm，在低速时额定转矩不小于300Nm。属于永磁同步电动机技术领域。

背景技术

现有机床主轴、轧机、造纸机，塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等机械负载的特性为恒功率特性，此类机械负载要求驱动系统不但在低速时能够提供平稳大转矩，而且能满足高速运行要求，其所需调速范围很宽。永磁同步电动机与异步电动机相比，具有体积小、效率高、功率密度大和绿色节能等优点，因此，永磁同步电动机已取代部分异步电动机广泛应用于各个领域。但永磁同步电动机与异步电动机相比存在磁场不易调节，调速范围较窄的缺点。主要原因为：对永磁同步电动机磁场的调节，一般需通过调节定子电流，即用增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行，达到弱磁升速的目的。而永磁同步电动机的磁场主要由永磁体产生，其气隙长度一般大于同规格感应电动机的气隙长度，这导致永磁同步电动机直轴电感小，弱磁能力不足，电动机弱磁调速范围有限。目前，永磁同步电动机的调速仅利用固定的一段进行无级调速，为了满足负载宽调速的要求，主要采用两种方法：（1）永磁同步电动机通过减速机构拖动负载，以满足调速要求，而减速机构的使用，带来驱动系统体积大、效率低、噪声大、环境污染严重、定期维护工作量大等一系列问题。（2）调速永磁同步电动机的设计，是以负载所需低速时的大转矩和高速转速分别作为永磁同步电动机的额定转矩和额定转速设计，调速永磁同步电动机实际运行状态为恒转矩运行，而永磁同步电动机高速运行时所需实际转矩远远小于低速时的额定转矩，这就造成电机在高速时转矩的浪费，使得永磁同步电动机体积大，所用材料多，同时造成了控制系统容量变大。

据相关文献报导，如专利公告号为CN2273470的 “可实现弱磁控制的盘式永磁电机”，公开了一种利用对直流绕组通以直流电流在环形定子铁芯中产生的磁通，达到削弱电机主磁通的目的。电动机在弱磁状态下运行时，如果直流电流过大，将造成永磁体退磁，如果直流电流较小，则弱磁能力有限，存在永磁电机调速范围不宽的缺点。因在盘式永磁电机环形定子铁芯上不仅绕有三相绕组还绕有直流绕组，这增加了永磁电机的铜耗，且增加了定子下线的复杂程度，同时造成了定子绕组铜线的增加，浪费了材料。专利公开号为CN101051784的 “一种宽调速范围永磁磁阻式同步电机及其调速方法”， 它通过控制弱磁控制绕组中电流提高电机的控制速度范围，功率绕组和弱磁控制绕组分上下两层设置在定子铁心的槽里，依然存在调速范围不宽，铜耗大，下线工艺复杂，浪费铜线的缺点。专利公告号为CN2822007的“适于多速调节的无刷永磁直流电机定子绕组”，其目的主要是实现电动车的换挡调速，无法实现无级调速；其调速范围窄，调速比仅为1:1.2-1.6；且因其有星形和三角形两组绕组，使得下线工艺复杂，同时三角形绕组连接使得永磁电机绕组内产生环流，造成附加损耗。专利公开号为CN101207362的 “永磁电机磁路结构与矢量控制相结合的可控弱磁技术”，专利公开号为 CN101626216的 “一种基于永磁同步电机的弱磁控制系统及其控制方法”，这两个专利均公开了靠施加直轴电流来改变气隙磁场的方法，因其使得电机电流变大，电枢损耗变大，且此种方法对磁场的调节有限，弱磁调速范围窄，故没有从根本上解决永磁同步电机的宽调速问题。专利公开号为CN101783536A的“内置式永磁同步电动机自动弱磁方法”，公布了在交轴方向的磁通隔离层中设置磁通短路块，借助弹簧的自动调节作用，改变极间漏磁路径，实现自动弱磁扩速的目的。但利用弹簧调节磁通短路块的方式是不可靠的，一旦弹簧出问题，磁通短路块将失效，起不到弱磁效果的。利用加大极间漏磁的方式来扩速是不合理的，这造成了永磁体的浪费。并且此种弱磁方式只能在较小范围内弱磁调速，没有从根本上解决永磁同步电动机调速困难的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种交流永磁同步电动机绕组调速装置，从根本上解决了现有恒功率负载用永磁同步电动机存在的调速范围窄的问题，改变了传统使用固定段进行无级调速方式的缺陷，其设计合理，结构简单，不仅在低速时能够输出大转矩，而且可以满足高转速运行要求，使永磁同步电动机具有调速范围宽、效率高、体积小，功率密度高，节能，省材料等优点，同时可大大降低控制系统的容量，减少整个系统的体积和成本。

本实用新型所采用的技术方案是：该交流永磁同步电动机绕组调速装置包括由控制单元、继电器单元、接触器单元和驱动单元进行调速控制的永磁同步电动机，其技术要点是：由具有逻辑管理功能的32位ARM芯片，具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片，通过人机接口和I/O接口组成所述控制单元，由光电隔离开关、三极管和继电器组成所述继电器单元，所述控制单元驱动所述继电器单元控制接触器单元，执行逻辑驱动控制指令，对所述永磁同步电动机的速度段进行选择，并使所述永磁同步电动机的定子绕组每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间的变换，实现永磁同步电动机转速在n、n× N/ (N-1)、n×N/ (N-2) …n×N/2、n×N转速段间切换，完成速度段选择的有级调速，其中N为大于0的整数自然数，n为所述永磁同步电动机的定子每相串联线圈组数为N时的额定转速；所述控制单元同时驱动由整流桥、电解电容、电源板和逆变单元组成的实现所述永磁同步电动机在单一速度段内无级变频调速的所述驱动单元。

所述控制单元的矢量运算芯片发出驱动控制指令给所述驱动单元的电源板，所述逆变单元根据所述电源板接收到的所述矢量运算芯片指令，把三相交流电通过所述整流桥整流成的直流电，逆变为交流电驱动所述永磁同步电动机运转，实现单一速度段内无级变频调速。

本实用新型具有的优点及积极效果是：本实用新型跳出了传统的仅利用改变永磁同步电动机磁场进行调速的理念，提出了一种全新的利用接触器单元改变定子绕组连接方式，以实现永磁同步电动机低速大转矩宽调速。在保持永磁同步电动机反电势恒定的情况下，通过改变定子绕组的连接，实现永磁同步电动机转速在n、n× N/ (N-1)、n× N/ (N-2) …n×N/2、n×N转速段间切换，完成速度段选择的有级调速。它解决了现有使用固定速度段进行无级调速时，仅利用加大直轴电流弱磁调速存在的调速范围窄，绕组损耗大等缺点，同时避免了利用弱磁调速时潜在的永磁体退磁问题。在每个单段速度范围内利用驱动单元实现无级平滑调速，利用有级和无级相结合的调速方式对永磁同步电动机进行控制，实现在整个调速范围内的无级调速，从根本上解决了现有永磁同步电动机调速范围窄的问题，真正实现了永磁同步电动机的无级宽调速。其调速范围可为0.1rpm—6000rpm，在低速时额定转矩不小于300Nm。而且利用此种调速方法的永磁同步电动机的下线工艺与普通电机相同，无需在定子铁芯中下两套绕组，不存在下线困难和浪费铜材料的问题。本实用新型利用负载所需低速时的大转矩和低转速分别作为永磁同步电动机的额定转矩和额定转速设计，与现有利用负载所需低速时的大转矩和高速转速分别作为永磁同步电动机的额定转矩和额定转速设计方法相比，具有使永磁同步电动机体积小，效率高，功率小，功率密度高，节能，省材料等优点，同时可大大降低控制系统的容量，减少整个系统的体积和成本。

附图说明

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

图1是本实用新型的一种调速控制原理框图；

图2是图1中继电器单元的一种继电器（Y1）控制电路图；

图3是图1中继电器单元与接触器单元的控制原理图；

图4是图1中永磁同步电动机的定子绕组连接原理图；

图5是图1中驱动单元电路图。

图中序号说明：1控制单元、2继电器单元、3接触器单元、4永磁同步电动机、5驱动单元、6光电隔离开关、7三极管、8继电器、9整流桥、10电解电容、11电源板、12逆变单元。

具体实施方式

根据图1～5详细说明本实用新型的具体结构。该交流永磁同步电动机绕组调速装置包括由控制单元1、继电器单元2、接触器单元3和驱动单元5进行调速控制的永磁同步电动机4。其中控制单元1由具有逻辑管理功能的32位ARM（Advanced RISC Machines）芯片和具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片等，通过人机接口和I/O接口组成。执行逻辑驱动控制指令的继电器单元2由光电隔离开关6、三极管7和继电器8等组成。控制单元1驱动继电器单元2控制接触器单元3，对永磁同步电动机4的速度段进行选择，并使永磁同步电动机4的定子绕组每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间变换，实现永磁同步电动机4的转速在n、n× N/ (N-1)，n×N/ (N-2) …n×N/2、n×N转速段间切换，完成所选择速度段的有级调速。控制单元1同时驱动由整流桥9、电解电容10、电源板11和逆变单元12等组成的驱动单元,以实现永磁同步电动机4在单一速度段内的无级变频调速。

控制单元1在发出选择速度段指令选定单一速度段时，通过矢量运算芯片发出驱动控制指令给驱动单元5的电源板11，驱动单元5中的整流桥9把三相交流电整流成直流电，电解电容10起到直流滤波的作用，逆变单元12根据电源板11接收到的矢量运算芯片指令，把直流电逆变为交流电驱动永磁同步电动机4运转，实现单一速度段内无级调速。

继电器单元2由Y1、Y2、Y3…YN等N个继电器控制电路组成，其中一个继电器（如Y1）控制电路由电阻R1、R2、R3、光电隔离开关6、三极管7和继电器8（Y1）等组成。其余继电器控制电路与Y1控制电路相同。接触器单元3由KM1、KM2、KM3…KMN等N个接触器组成。本实施例中的N为大于0的整数自然数，n为永磁同步电动机4的定子每相串联线圈组数为N时的额定转速。一般情况下N不大于16，N大于16的实际应用很少。

当上述永磁同步电动机4的定子绕组每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间变换，定子每相串联线圈组数为1时，控制单元1通过I/O接口发出低电平信号给继电器单元2，继电器单元2中的光电隔离开关6导通，驱动三极管7导通，继电器8（Y1）闭合，其余继电器Y2，Y3…YN全部断开，接触器KM1闭合，其余接触器KM2，KM3…KMN全部断开，实现定子每相串联组数为1的绕组连接，即三相绕组中只有绕组U1、V1和W1中有电流，其余绕组U2、U3…UN，V2、V3…VN和W2、W3…WN全部断开，此时永磁同步电动机额定运行转速为n×N。以此类推，实现每相串联组数为2、…N-2、N-1、N的绕组连接。这样就实现了永磁同步电动机转速在n×N/2，n×N/ (N-2)，n× N/ (N-1)，…n转速段间切换，实现速度段选择的有级调速。

Claims (2)

1.一种交流永磁同步电动机绕组调速装置，包括由控制单元、继电器单元、接触器单元和驱动单元进行调速控制的永磁同步电动机，其特征在于：由具有逻辑管理功能的32位ARM芯片，具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片，通过人机接口和I/O接口组成所述控制单元，由光电隔离开关、三极管和继电器组成所述继电器单元，所述控制单元驱动所述继电器单元控制接触器单元，执行逻辑驱动控制指令，对所述永磁同步电动机的速度段进行选择，并使所述永磁同步电动机的定子绕组每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间的变换，实现永磁同步电动机转速在n、n× N/ (N-1)、n×N/ (N-2) …n×N/2、n×N转速段间切换，完成速度段选择的有级调速，其中N为大于0的整数自然数，n为所述永磁同步电动机的定子每相串联线圈组数为N时的额定转速；所述控制单元同时驱动由整流桥、电解电容、电源板和逆变单元组成的实现所述永磁同步电动机在单一速度段内无级变频调速的所述驱动单元。

2.根据权利要求1所述的交流永磁同步电动机绕组调速装置，其特征在于：所述控制单元的矢量运算芯片发出驱动控制指令给所述驱动单元的电源板，所述逆变单元根据所述电源板接收到的所述矢量运算芯片指令，把三相交流电通过所述整流桥整流成的直流电，逆变为交流电驱动所述永磁同步电动机运转，实现单一速度段内无级变频调速。

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