CN203747716U - 复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，包括电机侧PWM变换器、主回路直流环节、网侧PWM变换器、AD转换器和可编程序处理器。电机的控制绕组、电机侧PWM变换器、主回路直流环节和网侧PWM变换器依次相连，网侧PWM变换器与交流电网相连。AD转换器与可编程处理器、电机侧PWM变换器、主回路直流环节、网侧PWM变换器和交流电网分别相连。电机侧PWM变换器和网侧PWM变换器分别与可编程处理器相连。本实用新型的有益效果是：通过人机交互简化了启动过程，减少了调速系统对电网的谐波干扰，降低了启动过程能耗，可实现低于同步转速的调速，也可实现超同步转速的调速。

Description

复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统

技术领域

本实用新型涉及交流电动机调速控制技术，特别是涉及一种复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统。

背景技术

现有的大功率绕线式（双馈）交流电机的调速系统都采用串级调速方法实现对电机转速的调节，且调速范围限制在同步转速以内（小于同步转速）；大功率绕线式（双馈）交流电机调速系统的结构多采用交直交形式；系统的主回路一端与电机转子绕组相连，通过二极管或晶闸管整流，把电机绕组中的交流电能转换为直流电能，再通过与网侧相连的逆变器（多采用晶闸管构成）把能量回馈交流电网，实现调速。

调速控制技术可以节约大量的电能，所以市场对性能优良、成本适中的中高压调速系统的需求非常旺盛。但是，现有的调速系统存在以下缺点：

1.调速范围小于同步转速，不能实现超同步运行；

2.调速系统功率因数低，对电网的谐波干扰严重；

3.大功率电机启动过程多采用串电阻或水阻启动，启动过程能耗较大，且不宜频繁启停。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供一种复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，可以把电机控制绕组中的交流电能转换为直流电能，再把能量回馈交流电网，实现低于同步转速的调速，也可以把电网能量注入电机，实现超同步转速的调速。通过人机交互，设定、修改控制器参数，操作系统运行的启动、停止和复位，简化启动过程，使用简单方便，减少调速系统对电网的谐波干扰，降低启动过程能耗，有效地控制调速过程。

本实用新型提供一种复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，包括与交流电网相连的复合转子无刷双馈交流电机及与其转轴相连的机械负载，还包括电机侧PWM变换器、主回路直流环节、网侧PWM变换器、AD转换器和可编程序处理器，所述复合转子无刷双馈交流电机的控制绕组、电机侧PWM变换器、主回路直流环节和网侧PWM变换器依次相连，所述网侧PWM变换器与所述交流电网相连，所述AD转换器与所述可编程处理器、电机侧PWM变换器、主回路直流环节、网侧PWM变换器和交流电网分别相连，所述电机侧PWM变换器和网侧PWM变换器分别与所述可编程处理器相连；所述可编程处理器执行如下控制步骤：

通过所述AD转换器检测电机控制绕组、网侧的工作电压和电流以及直流侧电压，判断当前电机的工作状态；计算电机的输出功率、功率因数，通过所述电机侧PWM变换器控制电机控制绕组的工作电压、电流和频率，调节电机的输出功率、功率因数和转速，控制电机欠同步转速和超同步转速运行；通过所述网侧PWM变换器控制网侧工作电流，当直流侧电压偏低时，从所述电网吸收能量或减少向所述电网输出能量以提高直流侧电压；当直流侧电压偏高时，向所述电网输出能量或增大向所述电网输出能量以降低直流侧电压，控制直流侧电压四象限稳定运行。

本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，还包括监控触摸屏，所述监控触摸屏与所述可编程处理器相连，所述可编程处理器与所述监控触摸屏和AD转换器之间分别设有RS485通讯端口。

本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，其中所述电机侧PWM变换器和网侧PWM变换器采用全控型开关器件IGBT构成。

本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，其中所述可编程处理器替换采用单片机或DSP处理器。

本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统的有益效果是：由于设置了电机侧PWM变换器、网侧PWM变换器和可编程序处理器，通过人机交互，设定、修改控制器参数，操作系统运行的启动、停止和复位，简化启动过程，使用简单方便，减少调速系统对电网的谐波干扰，降低启动过程能耗，有效地控制调速过程，可以把电机控制绕组中的交流电能转换为直流电能，再把能量回馈交流电网，实现低于同步转速的调速，也可以把电网能量注入电机，实现超同步转速的调速。

进一步，通过对运行过程中的参数变化趋势、错误信息、报警、发电量数据、工况数据及历史数据进行存储和查询，系统也可通过现场总线实现远程监控和管理。

附图说明

图1为本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统的结构框图。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型，下面结合实施例对本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统做更详细的说明。

如图1所示，本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，包括与交流电网相连的复合转子无刷双馈交流电机4及与其转轴相连的机械负载9、电机侧PWM变换器3、主回路直流环节1、网侧PWM变换器2、AD转换器8、监控触摸屏6和可编程序处理器5。电机侧PWM变换器3和网侧PWM变换器2采用全控型开关器件IGBT构成。可编程处理器5也可以替换采用单片机、DSP等有强大处理能力的处理器。

其中，复合转子无刷双馈交流电机4的控制绕组、电机侧PWM变换器3、主回路直流环节1和网侧PWM变换器2依次相连，网侧PWM变换器2与交流电网相连，AD转换器8与可编程处理器5、电机侧PWM变换器3、主回路直流环节1、网侧PWM变换器2和交流电网分别相连，电机侧PWM变换器3和网侧PWM变换器2分别与可编程处理器5相连，监控触摸屏6与可编程处理器5相连。

可编程处理器5采用两种不同的控制算法来切换控制，具体执行如下控制步骤：

通过AD转换器8检测电机控制绕组、网侧的工作电压和电流以及直流侧电压，判断当前电机的工作状态；计算电机的输出功率、功率因数，通过电机侧PWM变换器3控制电机控制绕组的工作电压、电流和频率，调节电机的输出功率、功率因数和转速，控制电机欠同步转速和超同步转速运行；通过网侧PWM变换器2控制网侧工作电流，当直流侧电压偏低时，从电网吸收能量或减少向电网输出能量以提高直流侧电压；当直流侧电压偏高时，向电网输出能量或增大向电网输出能量以降低直流侧电压，控制直流侧电压四象限稳定运行。

本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统采用485通信与监控触摸屏连接实现人机交互，可编程处理器5与监控触摸屏6和AD转换器8之间分别设有RS485通讯端口7。

本实用新型复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，可以通过现场总线实现远程监控和管理。

一种复合转子无刷双馈交流电机全象限智能调速控制的方法，该方法设置电机侧PWM变换器3、主回路直流环节1、网侧PWM变换器2、AD转换器8、可编程序处理器5和监控触摸屏6，该方法执行如下控制步骤：

1）可编程序处理器5启动初始化程序对控制器进行初始化，系统处于准备工作状态；

2)通过监控触摸屏6实现人机交互，进行运行方式和转速的设定、控制参数的修改和对系统的运行进行启动、停止、自动追踪的操作；

3)可编程处理器5通过AD转换器8检测电机控制绕组、网侧的工作电压和电流以及直流侧电压，判断当前电机的工作状态；

4)可编程处理器5计算电机的输出功率、功率因数，通过电机侧PWM变换器3控制电机控制绕组的工作电压、电流和频率，调节电机的输出功率、功率因数和转速，控制电机欠同步转速和超同步转速运行。

5)网侧PWM变换器2控制网侧工作电流，当直流侧电压偏低时，从电网吸收能量或减少向电网输出能量以提高直流侧电压；当直流侧电压偏高时，向电网输出能量或增大向电网输出能量以降低直流侧电压，控制直流侧电压四象限稳定运行。

6）所述可编程序处理器控制直流侧电压四象限稳定运行的控制算法包括：

a）复合转子无刷双馈电机转速数学模型，包括电压方程、电磁转矩方程和机械运动方程，其中：

在d-q轴转子速坐标系中复合转子无刷双馈电机的电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{qp}}\\ u_{\mathrm{dp}}\\ u_{\mathrm{qc}}\\ u_{\mathrm{dc}}\\ u_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{dr}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{r}_p+p{L}_{\mathrm{sp}}& p_p{\mathrm{\ω}}_r{L}_{\mathrm{sp}}& 0& 0& {\mathrm{pM}}_p& p_p{\mathrm{\ω}}_r{M}_p\\ -p_p{\mathrm{\ω}}_r{L}_{\mathrm{sp}}& r_{p}p{L}_{\mathrm{sp}}& 0& 0& -p_p{\mathrm{\ω}}_r{M}_p& {\mathrm{pM}}_p\\ 0& 0& r_c+p{L}_{\mathrm{sc}}& p_c{\mathrm{\ω}}_r{L}_{\mathrm{sc}}& -{\mathrm{pM}}_c& p_c{\mathrm{\ω}}_r{M}_c\\ 0& 0& -p_c{\mathrm{\ω}}_r{L}_{\mathrm{sc}}& r_c+{\mathrm{pL}}_{\mathrm{sc}}& p_c{\mathrm{\ω}}_r{M}_c& {\mathrm{pM}}_c\\ {\mathrm{pM}}_p& 0& -{\mathrm{pM}}_c& 0& r_r+{\mathrm{pL}}_r& 0\\ 0& p{M}_p& 0& {\mathrm{pM}}_c& 0& r_r+{\mathrm{pL}}_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{qp}}\\ i_{\mathrm{dp}}\\ i_{\mathrm{qc}}\\ i_{\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{qr}}\\ i_{\mathrm{dr}}\end{array}\right]---\left(4.1\right)$

其中：r_p、L_sp、M_p为功率控制绕组的电阻、自感和功率绕组与转子的互感；r_c、L_sc、M_c为控制绕组的电阻、自感和控制绕组与转子的互感；r_r、L_r、ω_r为转子电阻、自感和电机的机械角速度；u_qp、u_dp、u_qc、u_dc、u_qr、u_dr、i_qp、i_dp、i_qc、i_dc、i_qr、i_dr均表示电压电流的瞬态值；下标p、c、s、r分别表示功率绕组、控制绕组、定子侧、转子侧；d、q表示d-q坐标系下的分量；p为微分算子；

电磁转矩方程为：

T_e＝T_ep+T_ec＝p_pM_pr(i_qpi_dr-i_dpi_qr)

                                                         (4.2)

+p_cM_cr(i_qci_dr+i_dci_qr)

机械运动方程为：

pω_r=1/J(T_e-T_l-K_dω_r)   (4.3)

其中：J、K_d为转子机械惯量、转动阻尼系数；T_e、T_ep、T_ec、T_l分别为总转矩、功率绕组产生的转矩、控制绕组产生的转矩和负载转矩；

b）复合转子无刷双馈电机稳态运行转速为：

$n_r=60\·\frac{f_p\±f_c}{p_p+p_c}---\left(4.4\right)$

其中：n_r为电机转速，f_p为复合转子无刷双馈交流电机网侧绕组(定子绕组)电流工作频率，f_c为控制绕组工作电流频率，欠同步速时，f_c前取“－”号；超同步速时，取“＋”号。

由式(4-4)可知，由于无刷双馈电机功率绕组直接与电网相连，所以f_p为定值，如果均匀地改变控制绕组频率f_c，就可以平滑地调节电机的转速，实现变频调速，从而使调速系统具有优良的机械特性。由于功率绕组直接与电网相连，功率绕组电压几乎不变，只能改变控制绕组电压。控制控制绕组的供电压频比恒定，维持气隙磁通为额定值。通过改变控制绕组电压，平滑地调节电机的转速，实现变频调速控制。

7)可编程序处理器5对运行过程中的参数变化趋势、错误信息、报警、发电量数据、工况数据及历史数据进行存储和查询，并通过现场总线实现远程监控和管理。

以上的实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，包括与交流电网相连的复合转子无刷双馈交流电机（4）及与其转轴相连的机械负载（9），其特征在于，还包括电机侧PWM变换器（3）、主回路直流环节（1）、网侧PWM变换器（2）、AD转换器（8）和可编程序处理器（5），

所述复合转子无刷双馈交流电机（4）的控制绕组、电机侧PWM变换器（3）、主回路直流环节（1）和网侧PWM变换器（2）依次相连，所述网侧PWM变换器（2）与所述交流电网相连，所述AD转换器(8)与所述可编程处理器（5）、电机侧PWM变换器（3）、主回路直流环节（1）、网侧PWM变换器（2）和交流电网分别相连，所述电机侧PWM变换器（3）和网侧PWM变换器（2）分别与所述可编程处理器(5)相连；所述可编程处理器(5)执行如下控制步骤：

通过所述AD转换器（8）检测电机控制绕组、网侧的工作电压和电流以及直流侧电压，判断当前电机的工作状态；计算电机的输出功率、功率因数，通过所述电机侧PWM变换器（3）控制电机控制绕组的工作电压、电流和频率，调节电机的输出功率、功率因数和转速，控制电机欠同步转速和超同步转速运行；通过所述网侧PWM变换器（2）控制网侧工作电流，当直流侧电压偏低时，从所述电网吸收能量或减少向所述电网输出能量以提高直流侧电压；当直流侧电压偏高时，向所述电网输出能量或增大向所述电网输出能量以降低直流侧电压，控制直流侧电压四象限稳定运行。

2.根据权利要求1所述的复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，其特征在于：还包括监控触摸屏（6），所述监控触摸屏（6）与所述可编程处理器（5）相连，所述可编程处理器（5）与所述监控触摸屏（6）和AD转换器（8）之间分别设有RS485通讯端口（7）。

3.根据权利要求1或2所述的复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，其特征在于，其中所述电机侧PWM变换器（3）和网侧PWM变换器（2）采用全控型开关器件IGBT构成。

4.根据权利要求3所述的复合转子无刷双馈交流电机全象限变频调速系统，其特征在于，其中所述可编程处理器（5）替换采用单片机或DSP处理器。