CN202586867U - 一种无刷双馈电机控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种无刷双馈电机控制装置，包括主电路、驱动电路、控制电路和检测电路，其中，控制电路包括DSP控制器和可编程逻辑控制器件CPLD，检测电路包括整流端电压和电流检测电路、交流端电压和电流检测电路，所述的主电路包括整流电路和逆变电路，所述的整流电路和逆变电路都采用二极管钳位式三电平结构，包括三个桥臂，每个桥臂由4个IGBT串联组成，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，第二IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极，第二IGBT上并联第一二极管，第三IGBT上并联第二二极管，第一二极管的负极连接第二IGBT的发射极，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第三IGBT的发射极，三个桥臂的结构相同且彼此并联。本实用新型的相电压输出由两电平变为三电平，线电压由三电平增加为五电平，从而使输出波形更好地逼标准正弦波形。
Description
技术领域
本实用新型属于电机控制技术领域，特别涉及一种无刷双馈电机控制装置。
背景技术
无刷双馈电机是近些年来发展起来的一种新型电机，是由Hunt发明的级联式电机发展而来，其结构上具有一定的特殊性，在定子侧具有两套绕组，并且取消了电刷和滑环，增加了电机运行的可靠性，并且降低了电机的维护成本。同时变频电源只需为控制绕组供电，降低了控制器的成本，由于其结构特点，其在风力发电和风力发电、变落差水力发电、潮汐发电等可再生能源具有广泛的应用。
无刷双馈电机有两套定子绕组和一套转子构成，两套定子绕组分别为功率绕组和控制绕组，其中用来承担主要功率传输的具有2Pp极的定子绕组称为主绕组或者功率绕组，而用来控制电机运行方式的具有2Pq极的定子绕组称为副绕组或控制绕组，功率绕组由电网供电，控制绕组由变频电源供电，与一般的交流感应电机相比无刷双馈电机具有调速性能优越，尤其是当其处于变速恒频发电时，其优越性更是能体现出来。
由于无刷双馈电机是由两台不同极数感应电机串级联接转化而来的，其功率流动关系可以参考感应电机进行分析，但是由于无刷双馈电机有两套定子绕组，因此当其处于稳定运行状态时，在转子中由两套定子绕组所建立的磁场会产生耦合作用，因此相比于普通的交流感应电机又具有其本身的复杂性。因此对于无刷双馈电机的功率控制有一定的困难性。
发明内容
针对现有装置存在的不足，本实用新型提出一种无刷双馈电机控制装置，包括主电路、驱动电路、控制电路和检测电路，其中，控制电路包括DSP控制器和可编程逻辑控制器件CPLD，检测电路包括整流端电压和电流检测电路、交流端电压和电流检测电路，所述的主电路包括整流电路和逆变电路，所述的整流电路和逆变电路都采用二极管钳位式三电平结构，包括三个桥臂，每个桥臂由4个IGBT串联组成，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，第二IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极，第二IGBT上并联第一二极管，第三IGBT上并联第二二极管，第一二极管的负极连接第二IGBT的发射极，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第三IGBT的发射极，三个桥臂的结构相同且彼此并联；
每个桥臂包括三种开关状态：
同时导通第一IGBT和第二IGBT，关断第三IGBT和第四IGBT，逆变电路输出端获得正电平；
同时导通第二IGBT和第三IGBT，关断第一IGBT和第四IGBT时，逆变电路输出端获得电压为零；
同时导通第三IGBT和第四IGBT，关断第一IGBT和第二IGBT时，逆变电路输出端获得负电平；
通过对四个开关器件的控制，令三个桥臂分别取上述三种开关状态中的一种，三个桥臂所取开关状态互不重复，在逆变电路输出端合成三电平波形；
本实用新型优点：本实用新型的主电路与二极管钳位的三电平逆变器相比传统两电平逆变电路点显著，其相电压输出由两电平变为三电平，线电压由三电平增加为五电平，每个电平的幅度则由原来的整个直流母线电压降低为一半直流母线电压，因输出电平的du／dt也下降为原来的一半。如果增加每个单元中串联的开关器数，还可以在输出电压波形中产生更多的电平数，从而使输出波形更好地逼标准正弦波形。
附图说明
图1为本实用新型无刷双馈电机控制装置结构框图；
图2为本实用新型无刷双馈电机控制装置主电路结构图；
图3为本实用新型无刷双馈电机控制装置与无刷双馈电机的连接原理图；
图4为本实用新型无刷双馈电机控制装置交流电压检测电路原理图；
图5为本实用新型无刷双馈电机控制装置交流电流检测电路原理图；
图6为本实用新型无刷双馈电机控制装置DSP控制器电路原理图；
图7为本实用新型无刷双馈电机控制装置直流电容的电压检测原理图；
图8为本实用新型无刷双馈电机控制装置可编程逻辑器件CPLD的电路原理图；
图9为本实用新型无刷双馈电机控制装置驱动电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
本实施例采用的无刷双馈电机控制装置，如图1所示，包括主电路、驱动电路、控制电路和检测电路，主电路包括整流电路和逆变电路，电网产生的交流电经过整流电路，产生逆变所需要的直流电压，逆变电路将直流电压调制产生控制电机所需要的交流电，供给无刷双馈电机，以驱动无刷双馈电机工作；检测电路包括整流端电压和电流检测电路、交流端电压和电流检测电路，其中，整流端电压和电路检测电路用于检测整流端电网侧的电压和电流，交流端电压和电流检测电路用于检测逆变端电机侧的电压和电流；驱动电路负责驱动二极管钳位式三电平电路中的功率开关器件IGBT。
本实施例采用额定功率为15kw的无刷双馈电机，功率绕组接380V，50HZ交流电，控制 绕组接无刷双馈电机控制装置。
由于三电平逆变电路和整流电路各需要12路PWM信号，采用DSP控制器虽可以产生12路PWM信号，但DSP控制器既要完成SVPWM算法的扇区判断、作用时间计算及PWM脉冲的发生，又要完成与液晶的通信，与用户接口的数字控制，将使程序显得复杂和混乱，并且DSP控制器中两个事件管理器不能做到完全同步，从而造成整流电路同相驱动信号的不同步，将对整流电路的性能造成影响，仅有的12路PWM信号同样不能满足以后扩展更多电平变换器控制的需要，因此，本实施例采用DSP控制器和复杂可编程逻辑器件CPLD为控制核心搭建实验平台，该平台采用DSP完成算法中的主要数据处理和外部控制功能，利用CPLD实现逆变器PWM波形的发生。
无刷双馈电机定子绕组由功率绕组和控制绕组组成，无刷双馈电机类似于两台普通感应电机同轴级联，共用一套转子系统，其定子铁芯中安放了两套对称分布的交流绕组，分别为功率绕组和控制绕组，其中功率绕组极对数为Pp,频率为fp,控制绕组极对数为Pc，频率为fc。其中功率绕组直接连接三相电源，也称为主绕组。控制绕组连接变频电源也成为副绕组。本专利中控制绕组连接三电平可逆变频系统。转子为鼠笼式结构，转子导体的环路组数位Pp+Pc,无刷双馈电机转子结构经过特殊设计，两套定子绕组产生的空间磁场能通过转子进行耦合，进行能量交换和传递，如图2所示。
本实施例中，DPS控制器的型号为TMS30F2812，可编程逻辑控制器件CPLD的型号为EMP1270，驱动电路采用驱动功率器件，型号为PC929。
主电路的电路图如图3所示，主电路包括整流电路和逆变电路，别且整流电路和逆变电路都采用二极管钳位式三电平结构，包括三个桥臂，每个桥臂由4个IGBT串联组成，其中，Q1的发射极连接Q2的集电极，Q2的发射极连接Q3的集电极，Q3的发射极连接Q4的集电极，Q2上并联二极管D1，Q3上并联二极管D2，二极管D1的负极连接Q2的发射极，二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D2的正极连接Q3的发射极，三个桥臂的结构相同且彼此并联；
每个桥臂包括三种开关状态：
同时导通Q1和Q2，关断Q3和Q4，逆变电路输出端获得正电平；
同时导通Q2和Q3，关断Q1和Q4时，逆变电路输出端获得电压为零；
同时导通Q3和Q4，关断Q1和Q2时，逆变电路输出端获得负电平；
通过对Ql-Q4四个开关器件的控制，令三个桥臂分别取上述三种开关状态中的一种，在逆变电路输出端合成三电平波形；
整流端的电压电流检测电路与逆变端的电压电流检测电路的电路原理相同，本实施例采 集三相电压中的两相进行检测，以三相电压、三相电流中的A相、以逆变端为例说明数据的检测过程，如图4和图5所示，无刷双馈电机的电压或电流，经霍尔传感器采集后输入给检测电路的Ua端或Ia端，经电压检测电路或电流检测电路调理后输出0～3.3V的电压信号，一路输出信号给DSP控制器的ADINA0端，一路输出信号给DSP控制器的ADINA2端，DSP控制器的原理如图6所示，另一相电压或电流的连接方式与此相同，经过检测电路后，一路输出信号连接到DSP控制器的ADINA1端，另一路输出端连接DSP控制器的ADINA3端，直流侧电容C1和C2的输出电压经过直流电压检测电路分别输出给DSP控制器的ADINA4端和ADINA5端，如图7所示。
可编程逻辑器件CPLD的电路原理图如图8所示，DSP控制器与可编程逻辑器件CPLD之间通过地址总线和数据总线进行通信，检测电路检测到的交流电压，电流和直流电容电压经过DSP控制器的AD端口输送进入DSP处理器，由DSP处理器实现算法的计算。
驱动电路的电路原理图如图9所示，驱动电路的PWM11′端连接可编程逻辑器件CPLD的PWM1端，驱动电路的11脚通过栅极电阻连接IGBT的栅极，G11和E11端口分别连接IGBT的集电极和发射极，整流端和逆变端各需要12路驱动电路，电路结构与此相同。
Claims (2)
1.一种无刷双馈电机控制装置，包括主电路、驱动电路、控制电路和检测电路，其中，控制电路包括DSP控制器和可编程逻辑控制器件CPLD，检测电路包括整流端电压和电流检测电路、交流端电压和电流检测电路，其特征在于：所述的主电路包括整流电路和逆变电路，所述的整流电路和逆变电路都采用二极管钳位式三电平结构，包括三个桥臂，每个桥臂由4个IGBT串联组成，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，第二IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极，第二IGBT上并联第一二极管，第三IGBT上并联第二二极管，第一二极管的负极连接第二IGBT的发射极，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第三IGBT的发射极，三个桥臂的结构相同且彼此并联。
2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机控制装置，其特征在于：所述的三个桥臂，每个桥臂包括三种开关状态：
同时导通第一IGBT和第二IGBT，关断第三IGBT和第四IGBT，逆变电路输出端获得正电平；
同时导通第二IGBT和第三IGBT，关断第一IGBT和第四IGBT时，逆变电路输出端获得电压为零；
同时导通第三IGBT和第四IGBT，关断第一IGBT和第二IGBT时，逆变电路输出端获得负电平。
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| CN105703689A (zh) * | 2014-11-25 | 2016-06-22 | 沈阳工业大学 | 大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统 |
| CN107911049A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-04-13 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种抽油机用无刷电机能量回馈调速控制系统 |
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