CN203340017U - 大功率无刷双馈电动机变频调速系统 - Google Patents

Abstract

一种大功率无刷双馈电动机变频调速系统，包括大功率无刷双馈电动机的功率绕组和控制绕组，还包括第一接触器、输入电源配电单元、输入开关、软启动电路、交直流整流单元、储能电容、操作与显示单元，以及由励磁控制器、逆变单元、第一电流检测单元、第二电流检测单元、电压检测单元组成的励磁控制与逆变模块，功率绕组串联第一接触器后连接输入电源配电单元、输入开关、交直流整流单元、储能电容、逆变单元后连接所述控制绕组，所述软启动电路串联在所述交直流整流单元与所述输入开关的三相输出端间的线路上，或串联在所述交直流整流单元与储能电容之间的线路上。可以完成无刷双馈电动机的全程变频调速。还包括基本的控制时序与方法。

Description

大功率无刷双馈电动机变频调速系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，特别是涉及一种用于大功率无刷双馈电动机的控制系统。

背景技术

目前，无刷双馈电机设计及其控制系统的研究已经进行几十年，但是由于无刷双馈电动机系统模型复杂，没有现成的控制算法和控制系统，特别是对于大功率的无刷双馈电动机来说，采用的高压变频器成本高，体积大，额定容量大，能耗严重，控制系统结构复杂，操作维护困难，没有高效的控制时序与方法，这些问题都严重地阻碍了它的推广应用，所以至今在全世界还没有产业化的报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种大功率无刷双馈电动机变频调速系统，解决小功率励磁控制器控制高压大功率无刷双馈电动机无法实现全程调速的技术问题。

本发明的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，包括大功率无刷双馈电动机的功率绕组和控制绕组，其中：还包括第一接触器、输入电源配电单元、输入开关、软启动电路、交直流整流单元、储能电容、操作与显示单元，以及由励磁控制器、逆变单元、第一电流检测单元、第二电流检测单元、电压检测单元组成的励磁控制与逆变模块，

所述功率绕组的三相输入线路串联第一接触器后连接所述输入电源配电单元的一个三相输出端，所述输入电源配电单元的另一个三相输出端通过三相线路连接所述输入开关的三相输入端，所述输入开关的三相输出端通过三相线路连接所述交直流整流单元的三相输入端，所述交直流整流单元输出端的正负直流母线顺序串联所述储能电容后，连接所述逆变单元的正负直流输入端，所述逆变单元的三相输出端通过三相线路连接所述控制绕组，所述软启动电路串联在所述交直流整流单元与所述输入开关的三相输出端间的线路上，或串联在所述交直流整流单元与储能电容之间的线路上，所述操作与显示和所述励磁控制器之间通过串行通讯方式进行数据连接；

所述励磁控制器通过所述第一电流检测单元采集所述功率绕组与第一接触器间三相线路的电流变化，通过所述第二电流检测单元采集控制绕组与所述逆变单元间三相线路的电流变化，通过所述电压检测单元采集所述输入开关与所述输入电源配电单元间三相线路的电压变化，并生成控制所述第一接触器的控制信号和生成控制所述逆变单元输出的PWM信号。

所述交直流整流单元为全桥整流单元，还包括制动单元和制动电阻，所述软启动电路串联在全桥整流单元输出端与所述储能电容之间的直流母线上，所述软启动电路和所述储能电容间的正负直流母线上并联所述制动单元，所述制动单元并联所述制动电阻。

所述交直流整流单元为PWM整流单元，还包括BOOST电抗器，在所述输入开关的三相输出端与PWM整流单元间的线路上顺序串联所述软启动电路和所述BOOST电抗器。

所述输入电源配电单元为低压电网配电单元。

所述输入电源配电单元包括高压电网配电单元和低压电网配电单元，还包括变压器，所述高压电网配电单元的一个三相输出端串联所述第一接触器，所述高压电网配电单元的另一个三相输出端与所述变压器的一次侧连接，所述变压器的二次侧连接所述低压电网配电单元的电源输入端，所述低压电网配电单元的三相输出端通过三相线路连接输入开关的三相输入端。

所述BOOST电抗器直接串联在PWM整流单元和软启动电路之间，或者与非容性元件串联在PWM整流单元和软启动电路之间。

所述软启动电路用于三相线路时采用三相软启动或两相软启动连接结构，所述软启动电路用于正负直流线路时采用两相软启动或单相软启动连接结构。

所述PWM整流单元和所述逆变单元用于通断调制电力半导体器件都可以采用可控硅整流器、门极可关断器件、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、对称门极换流晶闸管中的一种。

本发明的大功率无刷双馈电动机变频调速系统可靠性高，在励磁控制器损坏时，控制绕组可以自动切换到工频或者自动实现控制绕组短接，相比全功率变频调速，其系统可靠性高，不需要独立软启动器，系统制造成本较低。所消耗的控制功率不大于电机最大功率30%，与全功率变频调速相比更加节能，运行成本低。既可以工作在电动运行方式，也可以工作在制动运行方式，可以从零速到额定速度的全程变频调速。本发明适用于长期运行在同步速以上的负载，同步速以下只进行加减速的大功率无刷双馈电动机，也适用于加减速频繁、或者长期在同步速以下运行的大功率无刷双馈电动机。

既可以使大功率无刷双馈电动机的功率绕组可以和控制绕组可以共用一个电源，也可以使功率绕组利用单独的高压电源，减小无刷双馈电动机定子的电流损耗，提高效率。可以对大功率无刷双馈电动机进行正反转控制功能：能够根据运行指令，自动切换电网相序和励磁相序，改变电机运转方向。相比有刷双馈调速，不存在需要定期维护的电刷部件，维护简单。本发明的变频调速系统广泛适用于特殊笼型转子、磁阻式转子、绕线转子和复合转子等任何转子结构的无刷式电动机。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为大功率无刷双馈电动机变频调速系统实施例1的结构示意图；

图2为大功率无刷双馈电动机变频调速系统实施例2的结构示意图；

图3为大功率无刷双馈电动机变频调速系统实施例3的结构示意图；

图4为大功率无刷双馈电动机变频调速系统实施例4的结构示意图；

图5为利用本发明的变频调速系统进行大功率无刷双馈电动机调速控制的一种方法流程图；

图6为利用本发明的变频调速系统进行大功率无刷双馈电动机调速控制的另一种方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例1中包括励磁控制器8、逆变单元10、第一电流检测单元2、第二电流检测单元7、电压检测单元13、储能电容11、软启动电路14、全桥整流单元15、输入开关12、低压电网配电单元18、变压器19、高压电网配电单元20、第一接触器1、操作与显示单元9、制动单元16和制动电阻17。其中，励磁控制器8、逆变单元10、第一电流检测单元2、第二电流检测单元7、电压检测单元13组成励磁控制与逆变模块51，励磁控制器8包括串行通讯接口、通用的I/O接口5和专用的远程通讯接口6。

大功率无刷双馈电动机的功率绕组4的三相输入线路串联第一接触器1后连接高压电网配电单元20的三相输出端，高压电网配电单元20和低压电网配电单元18间通过连接变压器19，适配电力电压，低压电网配电单元18的三相输出端通过三相线路连接输入开关12的三相输入端，输入开关12的三相输出端通过三相线路连接全桥整流单元15三相输入端，全桥整流单元15输出端的正负直流母线顺序串联软启动电路14和储能电容11后，连接励磁控制与逆变模块51的逆变单元10正负直流输入端，逆变单元10的三相输出端通过三相线路连接大功率无刷双馈电动机的控制绕组3；在软启动电路14和储能电容11之间的正负直流母线上还并联有制动单元16，制动单元16还并联有制动电阻17；第一电流检测单元2的电流信号采集端M连接于第一接触器1和功率绕组4之间的三相线路上，第一电流检测单元2的输出端连接至励磁控制器8的第一信号输入端；第二电流检测单元7的电流信号采集端M连接于逆变单元10和控制绕组3之间的三相线路上，第二电流检测单元7的输出端连接至励磁控制器8的第二信号输入端；电压检测单元13的电压信号采集端，连接于低压电网配电单元18和输入开关12之间的三相线路上，电压检测单元13的输出端连接至励磁控制器8的第三信号输入端；励磁控制器8的PWM信号输出端与逆变单元10的PWM信号输入端连接。

高压电网配电单元20用于接入本地电网或电源的高压电力，

低压电网配电单元18用于接入本地电网或电源的低压电力。

如图2所示，本实施例2中，在实施例1的结构基本不变的基础上，低压电网配电单元18直接接入本地电网或电源的低压电力，低压电网配电单元18三相输出端直接通过三相线路串联第一接触器1后连接大功率无刷双馈电动机的功率绕组4的三相输入端，同时低压电网配电单元18另一组三相输出端保持向全桥整流单元15输出低压电力。

实施例1适合1000kw以上大功率无刷双馈电动机的调速控制，实施例2适合300kw-1000kw之间大功率无刷双馈电动机的调速控制采用，控制功率只有电机最大功率的30%，成本低具有较强的经济可行性。

如图3所示，本实施例3中包括励磁控制器8、逆变单元10、第一电流检测单元2、第二电流检测单元7、电压检测单元13、储能电容11、PWM整流单元21、BOOST电抗器22、软启动电路14、输入开关12、低压电网配电单元18、变压器19、高压电网配电单元20、第一接触器1和操作与显示单元9。其中，励磁控制器8、逆变单元10、第一电流检测单元2、第二电流检测单元7、电压检测单元13组成励磁控制与逆变模块51，励磁控制器8包括串行通讯接口、通用的I/O接口5和专用的远程通讯接口6。

大功率无刷双馈电动机的功率绕组4的三相输入线路串联第一接触器1后连接高压电网配电单元20，高压电网配电单元20和低压电网配电单元18间通过连接变压器19，适配电力电压，低压电网配电单元18的三相输出端通过三相线路连接输入开关12的三相输入端，输入开关12的三相输出端通过三相线路顺序串联软启动电路14和BOOST电抗器22后连接PWM整流单元21三相输入端，PWM整流单元21输出端的正负直流母线串联储能电容11后，连接励磁控制与逆变模块51的逆变单元10的正负直流输入端，逆变单元10的三相输出端通过三相线路连接大功率无刷双馈电动机的控制绕组3；第一电流检测单元2的电流信号采集端M连接于第一接触器1和功率绕组4之间的三相线路上，第一电流检测单元2的输出端连接至励磁控制器8的第一信号输入端；第二电流检测单元7的电流信号采集端M连接于逆变单元10和控制绕组3之间的三相线路上，第二电流检测单元7的输出端连接至励磁控制器8的第二信号输入端；电压检测单元13的电压信号采集端连接于低压电网配电单元18和输入开关12之间的三相线路上，电压检测单元13的输出端连接至励磁控制器8的第三信号输入端；励磁控制器8的PWM信号输出端与逆变单元10的PWM信号输入端连接。

如图4所示，本实施例4中，在实施例3的结构基本不变的基础上，低压电网配电单元18直接接入本地电网或电源的低压电力，低压电网配电单元18三相输出端直接通过三相线路串联第一接触器1后连接大功率无刷双馈电动机的功率绕组4的三相输入端，同时低压电网配电单元18另一组三相输出端保持向PWM整流单元21输出低压电力。

以上实施例中，每相线路上的软启动电路14主要用于按需闭合，以减小电机启动过程中大电流，避免电器冲击损害设备。

高压电网配电单元20主要用于接入高压电网包括6KV、10KV及其它符合低压工业用电的高压电网，其主要包括高压断路器、高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器，高压操作机构、高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类，主要起通断、控制或保护等作用。

低压电网配电单元18主要用于接入低压电网包括380V、220V、110V及其它符合低压工业用电的低压电网，其主要包括有低压断路器、智能配电装置、低压配电开关、熔断器、变压器、漏电保护装置等组成部分的设备。

所述的变压器19可以是组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器等多种变压器中的一种；变压器19一次侧与二次侧之间的连接方式可以是星型变角型、角型变角型、星型变星型、角型变星型。

输入开关12可以是空气开关、刀闸开关、空气式电磁接触器、真空接触器、半导体接触器或永磁接触器等多种开关中的一种。

第一接触器1可以是空气式电磁接触器、真空接触器、半导体接触器、永磁接触器中的一种。

所述BOOST电抗器22直接串联在PWM整流单元21和软启动电路14之间，或者与非容性元件串联在PWM整流单元21和软启动电路14之间。

制动单元16和制动电阻17在无刷双馈电动机的同步速加速段或者同步速以上的快速减速等回馈过程中起消耗再生电能作用。

励磁控制器8的作用是基于无刷双馈电机的数学模型采用转速、电流双闭环控制算法，利用标量控制、直接转矩控制、矢量控制、模糊控制、PID神经网络控制等控制策略生成PWM控制信号。是该大功率无刷双馈电动机变频调速系统的信号处理模块。

PWM整流单元21用于PWM斩波的通断调制电力半导体器件可以采用可控硅整流器（SCR）、门极可关断器件（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、对称门极换流晶闸管（SGCT）等多种器件。

全桥整流单元15利用了二极管的单向导电性通过三相桥接的方式将三相交流电转换为直流电送至正负直流母线。

逆变单元10根据励磁控制器给定的PWM信号（励磁信号），将直流正负母线上的直流电逆变为幅值、频率、相序可调的三相交流电，并提供给大功率无刷双馈电动机的控制绕组3。逆变单元10中的通断调制电力半导体器件也可以采用可控硅整流器（SCR）、门极可关断器件（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、对称门极换流晶闸管（SGCT）等多种器件。

励磁控制器8通过串行通讯接口连接操作与显示单元9与第一接触器1，I/O接口5用于连接本地维护终端，或上传下载维护数据等，远程通讯接口6用于与广域网进行数据连接。串行通讯方式可以是Canbus通讯、Modbus通讯、RS485通讯、RS232通讯等通讯方式中的一种。它的作用是负责操作与显示单元9和励磁控制器8进行通讯，用于系统的参数设置，参数显示如输出电压、输出频率、输出功率等。或是负责第一接触器1等其他受控单元和励磁控制器8进行通讯，用于控制第一接触器1等其他受控单元的启停。

I/O接口5也可以是Canbus通讯、Modbus通讯、RS485通讯、RS232通讯等通讯方式接口，或者是直接控制端子，参与对励磁控制器8的控制。

远程通讯接口6可以是广域网有线或无线接口，通过有线或无线通讯的方式对励磁控制器8进行远程通讯和控制。

在实施例1中软启动电路14包括两相软启动和单相软启动两种结构类型。

在实施例3中软启动电路14包括三相软启动和两相软启动两种结构类型。

所述软启动电路14的作用是可以按需要闭合软启动电路中的开关以减小电机启动过程中的大电流，避免电气冲击损害设备。

所述的第一电流检测单元2为霍尔电流传感器，其连接方式根据霍尔基夫电流定律iu+iv+iw=0，所以只要测出三相交流线路上任意两相的电流,就能计算出第三相电流大小，因此在此，电流传感器的连接方式可以选择采用两个霍尔电流传感器进行两相连接，也可以采用三个霍尔电流传感器将三相都连接。

所述的储能电容11可以是配有DC/DC变换的电池组、超级电容、高能电容、电解电容、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等多种元件中的一种。

如图5所示，利用实施例1或2进行大功率无刷双馈电动机调速控制（时序）的方法的主要步骤包括：

s100、闭合输入开关12，软启动电路14工作，系统判断储能电容11上的电压是否达到吸合点。

s110、如果储能电容11上的电压没有达到吸合点后，则软启动电路14释放，系统欠压显示停机，并重新进行判断；

s120、如果储能电容11上的电压达到吸合点后，则软启动电路14闭合；

s200、电压检测单元13通过电压信号采集端检测到低压电网配电单元18和输入开关12之间的三相线路上的电压变化，将采集数据传送给励磁控制器8，励磁控制器8对其频率和相位进行锁相处理；

s300、通过I/O接口5、远程通讯接口6、操作与显示单元9对励磁控制器8进行控制命令、频率、采样等操作；当接收到运行命令后，励磁控制器8根据电网的频率和相位，从PWM信号输出端发出相同频率和反相位的输出电压；

s400、延时一段时间后，闭合第一接触器1，大功率无刷双馈电动机处于零速运行状态；

s500、结束延时后，励磁控制器8按照设定的频率和加减速时间运行；通过第一电流检测单元2和第二电流检测单元7检测无刷双馈电动机不同绕组的电流变化；并通过操作与显示单元9、通用I/O接口5、或远程通讯接口6进行控制；

s600、当励磁控制器8接收到停机命令后，根据减速时间，先减速到零速，再通过第一接触器1的控制输入端控制断开第一接触器1，然后经过延时后关闭励磁输出。

通过本控制时序与方法，制动单元16在零速到同步速加速段，或者同步速以上的快速减速等回馈过程起作用。使得本发明的变频调速系统适用于长期运行在同步速以上的负载，同步速以下只进行加减速的场合。

如图6所示，利用实施例3或4进行大功率无刷双馈电动机调速控制（时序）的方法的主要步骤包括：

s10、闭合输入开关12，软启动电路14工作，系统判断储能电容11上的电压是否达到吸合点；

s11、如果储能电容11上的电压没有达到吸合点后，则软启动电路14释放，系统欠压显示停机，并重新进行判断；

s12、如果储能电容11上的电压达到吸合点后，则软启动电路14闭合；

s20、电压检测单元13通过电压信号采集端检测到低压电网配电单元18和输入开关12之间的三相线路上的电压变化，将采集数据传送给励磁控制器8，励磁控制器8对其频率和相位进行锁相处理，PWM整流单元21开始工作；

s30、通过I/O接口5、远程通讯接口6、操作与显示单元9对励磁控制器8进行控制命令、频率、采样等操作；当接收到运行命令后，励磁控制器8根据电网的频率和相位，从PWM信号输出端发出相同频率和反相位的输出电压；

s40、延时一段时间后，闭合第一接触器，电机处于零速运行状态；

s50、结束延时后，励磁控制器8按照设定的频率和加减速时间运行；通过第一电流检测单元2和第二电流检测单元7检测无刷双馈电动机不同绕组的电流变化；并通过操作与显示单元9、通用I/O接口5、或远程通讯接口6进行控制；

s60、当励磁控制器8接收到停机命令后，根据减速时间，先减速到零速，再通过第一接触器1的控制输入端控制断开第一接触器1，然后经过延时后关闭励磁输出。

本控制时序与方法更适合对大功率无刷双馈电动机转速的频繁加减速控制，也适用于大功率无刷双馈电动机转速长期在同步速以下运行的转速控制，可使得再生能量回馈电网，效率较高。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大功率无刷双馈电动机变频调速系统，包括大功率无刷双馈电动机的功率绕组和控制绕组，其特征在于：还包括第一接触器、输入电源配电单元、输入开关、软启动电路、交直流整流单元、储能电容、操作与显示单元，以及由励磁控制器、逆变单元、第一电流检测单元、第二电流检测单元、电压检测单元组成的励磁控制与逆变模块； 

所述功率绕组的三相输入线路串联第一接触器后连接所述输入电源配电单元的一个三相输出端，所述输入电源配电单元的另一个三相输出端通过三相线路连接所述输入开关的三相输入端，所述输入开关的三相输出端通过三相线路连接所述交直流整流单元的三相输入端，所述交直流整流单元输出端的正负直流母线顺序串联所述储能电容后，连接所述逆变单元的正负直流输入端，所述逆变单元的三相输出端通过三相线路连接所述控制绕组，所述软启动电路串联在所述交直流整流单元与所述输入开关的三相输出端间的线路上，或串联在所述交直流整流单元与储能电容之间的线路上，所述操作与显示单元和所述励磁控制器之间通过串行通讯方式进行数据连接； 

所述励磁控制器通过所述第一电流检测单元采集所述功率绕组与第一接触器间三相线路的电流变化，通过所述第二电流检测单元采集控制绕组与所述逆变单元间三相线路的电流变化，通过所述电压检测单元采集所述输入开关与所述输入电源配电单元间三相线路的电压变化，并生成控制所述第一接触器的控制信号和生成控制所述逆变单元输出的PWM信号。 

2.根据权利要求1所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述交直流整流单元为全桥整流单元（15），还包括制动单元（16）和制动电阻（17），所述软启动电路（14）串联在全桥整流单元（15）输出端与所述储能电容（11）之间的直流母线上，所述软启动电路（14）和所述储能电容间的正负直流母线上并联所述制动单元（16），所述制动单元（16）并联所述制动电阻（17）。 

3.根据权利要求1所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述交直流整流单元为PWM整流单元（21），还包括BOOST电抗器（22），在所述输入开关（12）的三相输出端与PWM整流单元（21）间的线路上顺序串联所述软启动电路（14）和所述BOOST电抗器（22）。 

4.根据权利要求2所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述输入电源配电单元为低压电网配电单元（18）。 

5.根据权利要求3所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述输入 电源配电单元为低压电网配电单元（18）。 

6.根据权利要求2所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述输入电源配电单元包括高压电网配电单元（20）和低压电网配电单元（18），还包括变压器（19），所述高压电网配电单元（20）的一个三相输出端串联所述第一接触器，所述高压电网配电单元（20）的另一个三相输出端与所述变压器（19）的一次侧连接，所述变压器（19）的二次侧连接所述低压电网配电单元（18）的电源输入端，所述低压电网配电单元（18）的三相输出端通过三相线路连接输入开关（12）的三相输入端。 

7.根据权利要求3所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述输入电源配电单元包括高压电网配电单元（20）和低压电网配电单元（18），还包括变压器（19），所述高压电网配电单元（20）的一个三相输出端串联所述第一接触器，所述高压电网配电单元（20）的另一个三相输出端与所述变压器（19）的一次侧连接，所述变压器（19）的二次侧连接所述低压电网配电单元（18）的电源输入端，所述低压电网配电单元（18）的三相输出端通过三相线路连接输入开关（12）的三相输入端。 

8.根据权利要求3至7任一所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述BOOST电抗器（22）直接串联在PWM整流单元（21）和软启动电路（14）之间，或者与非容性元件串联在PWM整流单元（21）和软启动电路（14）之间。 

9.根据权利要求1至7任一所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述软启动电路（14）用于三相线路时采用三相软启动或两相软启动连接结构，所述软启动电路（14）用于正负直流线路时采用两相软启动或单相软启动连接结构。 

10.根据权利要求1至7任一所述的大功率无刷双馈电动机变频调速系统，其特征在于：所述PWM整流单元（21）和所述逆变单元（10）用于通断调制电力半导体器件都可以采用可控硅整流器、门极可关断器件、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、对称门极换流晶闸管中的一种。 

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