專利名稱：大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)及控制方法，特別是涉及一種用于大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
目前，無(wú)刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)進(jìn)行幾十年，但是由于無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型復(fù)雜，沒(méi)有現(xiàn)成的控制算法和控制系統(tǒng)，特別是對(duì)于大功率的無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，采用的高壓變頻器成本高，體積大，額定容量大，能耗嚴(yán)重，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作維護(hù)困難，沒(méi)有高效的控制時(shí)序與方法，這些問(wèn)題都嚴(yán)重地阻礙了它的推廣應(yīng)用，所以至今在全世界還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化的報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，解決小功率勵(lì)磁控制器控制高壓大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全程調(diào)速的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用上述變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)控制的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的全程調(diào)速。本發(fā)明的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組和控制繞組，其中:還包括第一接觸器、輸入電源配電單元、輸入開(kāi)關(guān)、軟啟動(dòng)電路、交直流整流單元、儲(chǔ)能電容、操作與顯示單元，以及由勵(lì)磁控制器、逆變單元、第一電流檢測(cè)單元、第二電流檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元組成的勵(lì)磁控制與逆變模塊，所述功率繞組的三相輸入線路串聯(lián)第一接觸器后連接所述輸入電源配電單元的一個(gè)三相輸出端，所述輸入電源配電單元的另一個(gè)三相輸出端通過(guò)三相線路連接所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸入端，所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸出端通過(guò)三相線路連接所述交直流整流單元的三相輸入端，所述交直流整流單元輸出端的正負(fù)直流母線順序串聯(lián)所述儲(chǔ)能電容后，連接所述逆變單元的正負(fù)直流輸入端，所述逆變單元的三相輸出端通過(guò)三相線路連接所述控制繞組，所述軟啟動(dòng)電路串聯(lián)在所述交直流整流單元與所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸出端間的線路上，或串聯(lián)在所述交直流整流單元與儲(chǔ)能電容之間的線路上，所述操作與顯示和所述勵(lì)磁控制器之間通過(guò)串行通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)連接；所述勵(lì)磁控制器通過(guò)所述第一電流檢測(cè)單元采集所述功率繞組與第一接觸器間三相線路的電流變化，通過(guò)所述第二電流檢測(cè)單元采集控制繞組與所述逆變單元間三相線路的電流變化，通過(guò)所述電壓檢測(cè)單元采集所述輸入開(kāi)關(guān)與所述輸入電源配電單元間三相線路的電壓變化，并生成控制所述第一接觸器的控制信號(hào)和生成控制所述逆變單元輸出的PWM信號(hào)。所述交直流整流單元為全橋整流單元，還包括制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，所述軟啟動(dòng)電路串聯(lián)在全橋整流單元輸出端與所述儲(chǔ)能電容之間的直流母線上，所述軟啟動(dòng)電路和所述儲(chǔ)能電容間的正負(fù)直流母線上并聯(lián)所述制動(dòng)單元，所述制動(dòng)單元并聯(lián)所述制動(dòng)電阻。
所述交直流整流單元為PWM整流單元，還包括BOOST電抗器，在所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸出端與PWM整流單元間的線路上順序串聯(lián)所述軟啟動(dòng)電路和所述BOOST電抗器。所述輸入電源配電單元為低壓電網(wǎng)配電單元。所述輸入電源配電單元包括高壓電網(wǎng)配電單元和低壓電網(wǎng)配電單元，還包括變壓器，所述高壓電網(wǎng)配電單元的一個(gè)三相輸出端串聯(lián)所述第一接觸器，所述高壓電網(wǎng)配電單元的另一個(gè)三相輸出端與所述變壓器的一次側(cè)連接，所述變壓器的二次側(cè)連接所述低壓電網(wǎng)配電單元的電源輸入端，所述低壓電網(wǎng)配電單元的三相輸出端通過(guò)三相線路連接輸入開(kāi)關(guān)的二相輸入端。所述BOOST電抗器直接串聯(lián)在PWM整流單元和軟啟動(dòng)電路之間，或者與非容性元件串聯(lián)在PWM整流單元和軟啟動(dòng)電路之間。所述軟啟動(dòng)電路用于三相線路時(shí)采用三相軟啟動(dòng)或兩相軟啟動(dòng)連接結(jié)構(gòu)，所述軟啟動(dòng)電路用于正負(fù)直流線路時(shí)采用兩相軟啟動(dòng)或單相軟啟動(dòng)連接結(jié)構(gòu)。所述PWM整流單元和所述逆變單元用于通斷調(diào)制電力半導(dǎo)體器件都可以采用可控硅整流器、門(mén)極可關(guān)斷器件、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管、集成門(mén)極換流晶閘管、對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管中的一種。利用上述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速的控制方法，其特征在于包括以下步驟:S100、閉合輸入開(kāi)關(guān)，軟啟動(dòng)電路工作，系統(tǒng)判斷儲(chǔ)能電容上的電壓是否達(dá)到吸合點(diǎn)。sllO、如果儲(chǔ)能電容上的電壓沒(méi)有達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路釋放，系統(tǒng)欠壓顯示停機(jī)，并重新進(jìn)行判斷；sl20、如果儲(chǔ)能電容上的電壓達(dá)到吸合點(diǎn)后,則軟啟動(dòng)電路閉合；s200、電壓檢測(cè)單元通過(guò)電壓信號(hào)采集端檢測(cè)到低壓電網(wǎng)配電單元和輸入開(kāi)關(guān)之間的三相線路上的電壓變化，將采集數(shù)據(jù)傳送給勵(lì)磁控制器，勵(lì)磁控制器對(duì)其頻率和相位進(jìn)行鎖相處理；s300、通過(guò)1/0接口、或遠(yuǎn)程通訊接口、或操作與顯示單元對(duì)勵(lì)磁控制器進(jìn)行控制命令、頻率、采樣等操作；當(dāng)接收到運(yùn)行命令后，勵(lì)磁控制器根據(jù)電網(wǎng)的頻率和相位，從PWM信號(hào)輸出端發(fā)出相同頻率和反相位的輸出電壓；S400、延時(shí)一段時(shí)間后，閉合第一接觸器，大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)處于零速運(yùn)行狀態(tài)；S500、結(jié)束延時(shí)后，勵(lì)磁控制器按照設(shè)定的頻率和加減速時(shí)間運(yùn)行；通過(guò)第一電流檢測(cè)單元和第二電流檢測(cè)單元檢測(cè)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)不同繞組的電流變化；并通過(guò)操作與顯示單元、或通用I/o接口、或遠(yuǎn)程通訊接口進(jìn)行控制；s600、當(dāng)勵(lì)磁控制器接收到停機(jī)命令后，根據(jù)減速時(shí)間，先減速到零速，再通過(guò)第一接觸器的控制輸入端控制斷開(kāi)第一接觸器，然后經(jīng)過(guò)延時(shí)后關(guān)閉勵(lì)磁輸出。利用上述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速的控制方法，其特征在于包括以下步驟:slO、閉合輸入開(kāi)關(guān)，軟啟動(dòng)電路工作，系統(tǒng)判斷儲(chǔ)能電容上的電壓是否達(dá)到吸合占.
sll、如果儲(chǔ)能電容上的電壓沒(méi)有達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路釋放，系統(tǒng)欠壓顯示停機(jī)，并重新進(jìn)行判斷；sl2、如果儲(chǔ)能電容上的電壓達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路閉合；s20、電壓檢測(cè)單元通過(guò)電壓信號(hào)采集端檢測(cè)到低壓電網(wǎng)配電單元和輸入開(kāi)關(guān)之間的三相線路上的電壓變化，將采集數(shù)據(jù)傳送給勵(lì)磁控制器，勵(lì)磁控制器對(duì)其頻率和相位進(jìn)行鎖相處理，PWM整流單元開(kāi)始工作；s30、通過(guò)I/O接口、或遠(yuǎn)程通訊接口、或操作與顯示單元對(duì)勵(lì)磁控制器進(jìn)行控制命令、頻率、采樣等操作；當(dāng)接收到運(yùn)行命令后，勵(lì)磁控制器根據(jù)電網(wǎng)的頻率和相位，從PWM信號(hào)輸出端發(fā)出相同頻率和反相位的輸出電壓；s40、延時(shí)一段時(shí)間后，閉合第一接觸器，電機(jī)處于零速運(yùn)行狀態(tài)；s50、結(jié)束延時(shí)后，勵(lì)磁控制器按照設(shè)定的頻率和加減速時(shí)間運(yùn)行；通過(guò)第一電流檢測(cè)單元和第二電流檢測(cè)單元檢測(cè)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)不同繞組的電流變化；并通過(guò)操作與顯示單元、或通用I/o接口、或遠(yuǎn)程通訊接口進(jìn)行控制；s60、當(dāng)勵(lì)磁控制器接收到停機(jī)命令后，根據(jù)減速時(shí)間，先減速到零速，再通過(guò)第一接觸器的控制輸入端控制斷開(kāi)第一接觸器，然后經(jīng)過(guò)延時(shí)后關(guān)閉勵(lì)磁輸出。本發(fā)明的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可靠性高，在勵(lì)磁控制器損壞時(shí)，控制繞組可以自動(dòng)切換到工頻或者自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制繞組短接，相比全功率變頻調(diào)速，其系統(tǒng)可靠性高，不需要獨(dú)立軟啟動(dòng)器，系統(tǒng)制造成本較低。所消耗的控制功率不大于電機(jī)最大功率30%，與全功率變頻調(diào)速相比更加節(jié)能，運(yùn)行成本低。既可以工作在電動(dòng)運(yùn)行方式，也可以工作在制動(dòng)運(yùn)行方式，可以從零速到額定速度的全程變頻調(diào)速。本發(fā)明適用于長(zhǎng)期運(yùn)行在同步速以上的負(fù)載，同步速以下只進(jìn)行加減速的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)，也適用于加減速頻繁、或者長(zhǎng)期在同步速以下運(yùn)行的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)。既可以使大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組可以和控制繞組可以共用一個(gè)電源，也可以使功率繞組利用單獨(dú)的高壓電源，減小無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)定子的電流損耗，提高效率。可以對(duì)大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制功能:能夠根據(jù)運(yùn)行指令，自動(dòng)切換電網(wǎng)相序和勵(lì)磁相序，改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。相比有刷雙饋調(diào)速，不存在需要定期維護(hù)的電刷部件，維護(hù)簡(jiǎn)單。本發(fā)明的變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛適用于特殊籠型轉(zhuǎn)子、磁阻式轉(zhuǎn)子、繞線轉(zhuǎn)子和復(fù)合轉(zhuǎn)子等任何轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷式電動(dòng)機(jī)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1為大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為利用本發(fā)明的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的一種方法流程圖；圖6為利用本發(fā)明的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的另一種方法流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本實(shí)施例1中包括勵(lì)磁控制器8、逆變單元10、第一電流檢測(cè)單元2、第二電流檢測(cè)單元7、電壓檢測(cè)單元13、儲(chǔ)能電容11、軟啟動(dòng)電路14、全橋整流單元15、輸入開(kāi)關(guān)12、低壓電網(wǎng)配電單元18、變壓器19、高壓電網(wǎng)配電單元20、第一接觸器1、操作與顯示單元9、制動(dòng)單元16和制動(dòng)電阻17。其中，勵(lì)磁控制器8、逆變單元10、第一電流檢測(cè)單元2、第二電流檢測(cè)單元7、電壓檢測(cè)單元13組成勵(lì)磁控制與逆變模塊51，勵(lì)磁控制器8包括串行通訊接口、通用的I/O接口 5和專用的遠(yuǎn)程通訊接口 6。大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組4的三相輸入線路串聯(lián)第一接觸器I后連接高壓電網(wǎng)配電單元20的三相輸出端，高壓電網(wǎng)配電單元20和低壓電網(wǎng)配電單元18間通過(guò)連接變壓器19，適配電力電壓，低壓電網(wǎng)配電單元18的三相輸出端通過(guò)三相線路連接輸入開(kāi)關(guān)12的三相輸入端，輸入開(kāi)關(guān)12的三相輸出端通過(guò)三相線路連接全橋整流單元15三相輸入端，全橋整流單元15輸出端的正負(fù)直流母線順序串聯(lián)軟啟動(dòng)電路14和儲(chǔ)能電容11后，連接勵(lì)磁控制與逆變模塊51的逆變單元10正負(fù)直流輸入端，逆變單元10的三相輸出端通過(guò)三相線路連接大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的控制繞組3 ;在軟啟動(dòng)電路14和儲(chǔ)能電容11之間的正負(fù)直流母線上還并聯(lián)有制動(dòng)單元16，制動(dòng)單元16還并聯(lián)有制動(dòng)電阻17 ;第一電流檢測(cè)單元2的電流信號(hào)采集端M連接于第一接觸器I和功率繞組4之間的三相線路上，第一電流檢測(cè)單元2的輸出端連接至勵(lì)磁控制器8的第一信號(hào)輸入端；第二電流檢測(cè)單元7的電流信號(hào)采集端M連接于逆變單元10和控制繞組3之間的三相線路上，第二電流檢測(cè)單元7的輸出端連接至勵(lì)磁控制器8的第二信號(hào)輸入端；電壓檢測(cè)單元13的電壓信號(hào)采集端，連接于低壓電網(wǎng)配電單元18和輸入開(kāi)關(guān)12之間的三相線路上，電壓檢測(cè)單元13的輸出端連接至勵(lì)磁控制器8的第三信號(hào)輸入端；勵(lì)磁控制器8的PWM信號(hào)輸出端與逆變單元10的PWM信號(hào)輸入端連接。高壓電網(wǎng)配電單元20用于接入本地電網(wǎng)或電源的高壓電力，低壓電網(wǎng)配電單元18用于接入本地電網(wǎng)或電源的低壓電力。如圖2所示，本實(shí)施例2中，在實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，低壓電網(wǎng)配電單元18直接接入本地電網(wǎng)或電源的低壓電力，低壓電網(wǎng)配電單元18三相輸出端直接通過(guò)三相線路串聯(lián)第一接觸器I后連接大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組4的三相輸入端，同時(shí)低壓電網(wǎng)配電單元18另一組三相輸出端保持向全橋整流單元15輸出低壓電力。實(shí)施例1適合IOOOkw以上大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，實(shí)施例2適合300kw-1000kw之間大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制采用，控制功率只有電機(jī)最大功率的30%，成本低具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)可行性。如圖3所示，本實(shí)施例3中包括勵(lì)磁控制器8、逆變單元10、第一電流檢測(cè)單元2、第二電流檢測(cè)單元7、電壓檢測(cè)單元13、儲(chǔ)能電容11、PWM整流單元21、B00ST電抗器22、軟啟動(dòng)電路14、輸入開(kāi)關(guān)12、低壓電網(wǎng)配電單元18、變壓器19、高壓電網(wǎng)配電單元20、第一接觸器I和操作與顯示單元9。其中，勵(lì)磁控制器8、逆變單元10、第一電流檢測(cè)單元2、第二電流檢測(cè)單元7、電壓檢測(cè)單元13組成勵(lì)磁控制與逆變模塊51，勵(lì)磁控制器8包括串行通訊接口、通用的I/O接口 5和專用的遠(yuǎn)程通訊接口 6。大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組4的三相輸入線路串聯(lián)第一接觸器I后連接高壓電網(wǎng)配電單元20，高壓電網(wǎng)配電單元20和低壓電網(wǎng)配電單元18間通過(guò)連接變壓器19，適配電力電壓，低壓電網(wǎng)配電單元18的三相輸出端通過(guò)三相線路連接輸入開(kāi)關(guān)12的三相輸入端，輸入開(kāi)關(guān)12的三相輸出端通過(guò)三相線路順序串聯(lián)軟啟動(dòng)電路14和BOOST電抗器22后連接PWM整流單元21三相輸入端，PWM整流單元21輸出端的正負(fù)直流母線串聯(lián)儲(chǔ)能電容11后，連接勵(lì)磁控制與逆變模塊51的逆變單元10的正負(fù)直流輸入端，逆變單元10的三相輸出端通過(guò)三相線路連接大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的控制繞組3 ;第一電流檢測(cè)單元2的電流信號(hào)采集端M連接于第一接觸器I和功率繞組4之間的三相線路上，第一電流檢測(cè)單元2的輸出端連接至勵(lì)磁控制器8的第一信號(hào)輸入端；第二電流檢測(cè)單元7的電流信號(hào)采集端M連接于逆變單元10和控制繞組3之間的三相線路上，第二電流檢測(cè)單元7的輸出端連接至勵(lì)磁控制器8的第二信號(hào)輸入端；電壓檢測(cè)單元13的電壓信號(hào)采集端連接于低壓電網(wǎng)配電單元18和輸入開(kāi)關(guān)12之間的三相線路上，電壓檢測(cè)單元13的輸出端連接至勵(lì)磁控制器8的第三信號(hào)輸入端；勵(lì)磁控制器8的PWM信號(hào)輸出端與逆變單兀10的PWM信號(hào)輸入端連接。如圖4所示，本實(shí)施例4中，在實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，低壓電網(wǎng)配電單元18直接接入本地電網(wǎng)或電源的低壓電力，低壓電網(wǎng)配電單元18三相輸出端直接通過(guò)三相線路串聯(lián)第一接觸器I后連接大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組4的三相輸入端，同時(shí)低壓電網(wǎng)配電單元18另一組三相輸出端保持向PWM整流單元21輸出低壓電力。以上實(shí)施例中，每相線路上的軟啟動(dòng)電路14主要用于按需閉合，以減小電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中大電流，避免電器沖擊損害設(shè)備。高壓電網(wǎng)配電單元20主要用于接入高壓電網(wǎng)包括6KV、10KV及其它符合低壓工業(yè)用電的高壓電網(wǎng)，其主要包括高壓斷路器、高壓隔離開(kāi)關(guān)與接地開(kāi)關(guān)、高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)、高壓自動(dòng)重合與分段器，高壓操作機(jī)構(gòu)、高壓防爆配電裝置和高壓開(kāi)關(guān)柜等幾大類，主要起通斷、控制或保護(hù)等作用。低壓電網(wǎng)配電單元18主要用于接入低壓電網(wǎng)包括380V、220V、110V及其它符合低壓工業(yè)用電的低壓電網(wǎng)，其主要包括有低壓斷路器、智能配電裝置、低壓配電開(kāi)關(guān)、熔斷器、變壓器、漏電保護(hù)裝置等組成部分的設(shè)備。所述的變壓器19可以是組合式變壓器、干式變壓器、油浸式變壓器、單相變壓器等多種變壓器中的一種；變壓器19 一次側(cè)與二次側(cè)之間的連接方式可以是星型變角型、角型變角型、星型變星型、角型變星型。輸入開(kāi)關(guān)12可以是空氣開(kāi)關(guān)、刀閘開(kāi)關(guān)、空氣式電磁接觸器、真空接觸器、半導(dǎo)體接觸器或永磁接觸器等多種開(kāi)關(guān)中的一種。第一接觸器I可以是空氣式電磁接觸器、真空接觸器、半導(dǎo)體接觸器、永磁接觸器中的一種。所述BOOST電抗器22直接串聯(lián)在PWM整流單元21和軟啟動(dòng)電路14之間，或者與非容性元件串聯(lián)在PWM整流單元21和軟啟動(dòng)電路14之間。制動(dòng)單元16和制動(dòng)電阻17在無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的同步速加速段或者同步速以上的快速減速等回饋過(guò)程中起消耗再生電能作用。勵(lì)磁控制器8的作用是基于無(wú)刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制算法，利用標(biāo)量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、模糊控制、PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制策略生成PWM控制信號(hào)。是該大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊。PWM整流單元21用于PWM斬波的通斷調(diào)制電力半導(dǎo)體器件可以采用可控硅整流器(SCR)、門(mén)極可關(guān)斷器件(GTO)、電力晶體管(GTR)、電力場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET )、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)、對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管(SGCT)等多種器件。全橋整流單元15利用了二極管的單向?qū)щ娦酝ㄟ^(guò)三相橋接的方式將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電送至正負(fù)直流母線。逆變單元10根據(jù)勵(lì)磁控制器給定的PWM信號(hào)(勵(lì)磁信號(hào))，將直流正負(fù)母線上的直流電逆變?yōu)榉?、頻率、相序可調(diào)的三相交流電，并提供給大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的控制繞組3。逆變單元10中的通斷調(diào)制電力半導(dǎo)體器件也可以采用可控硅整流器(SCR)、門(mén)極可關(guān)斷器件(GT0)、電力晶體管(GTR)、電力場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)、對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管(SGCT)等多種器件。勵(lì)磁控制器8通過(guò)串行通訊接口連接操作與顯示單元9與第一接觸器I，I/O接口5用于連接本地維護(hù)終端，或上傳下載維護(hù)數(shù)據(jù)等，遠(yuǎn)程通訊接口 6用于與廣域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。串行通訊方式可以是Canbus通訊、Modbus通訊、RS485通訊、RS232通訊等通訊方式中的一種。它的作用是負(fù)責(zé)操作與顯示單元9和勵(lì)磁控制器8進(jìn)行通訊，用于系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，參數(shù)顯示如輸出電壓、輸出頻率、輸出功率等。或是負(fù)責(zé)第一接觸器I等其他受控單元和勵(lì)磁控制器8進(jìn)行通訊，用于控制第一接觸器I等其他受控單元的啟停。I/O接口 5也可以是Canbus通訊、Modbus通訊、RS485通訊、RS232通訊等通訊方式接口，或者是直接控制端子，參與對(duì)勵(lì)磁控制器8的控制。遠(yuǎn)程通訊接口 6可以是廣域網(wǎng)有線或無(wú)線接口，通過(guò)有線或無(wú)線通訊的方式對(duì)勵(lì)磁控制器8進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊和控制。在實(shí)施例1中軟啟動(dòng)電路14包括兩相軟啟動(dòng)和單相軟啟動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)類型。在實(shí)施例3中軟啟動(dòng)電路14包括三相軟啟動(dòng)和兩相軟啟動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)類型。所述軟啟動(dòng)電路14的作用是可以按需要閉合軟啟動(dòng)電路中的開(kāi)關(guān)以減小電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的大電流，避免電氣沖擊損害設(shè)備。所述的第一電流檢測(cè)單元2為霍爾電流傳感器，其連接方式根據(jù)霍爾基夫電流定律iu+iv+iW=0，所以只要測(cè)出三相交流線路上任意兩相的電流，就能計(jì)算出第三相電流大小，因此在此，電流傳感器的連接方式可以選擇采用兩個(gè)霍爾電流傳感器進(jìn)行兩相連接，也可以采用三個(gè)霍爾電流傳感器將三相都連接。所述的儲(chǔ)能電容11可以是配有DC/DC變換的電池組、超級(jí)電容、高能電容、電解電容、鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等多種元件中的一種。如圖5所示，利用實(shí)施例1或2進(jìn)行大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制(時(shí)序)的方法的主要步驟包括:slOO、閉合輸入開(kāi)關(guān)12，軟啟動(dòng)電路14工作，系統(tǒng)判斷儲(chǔ)能電容11上的電壓是否達(dá)到吸合點(diǎn)。sllO、如果儲(chǔ)能電容11上的電壓沒(méi)有達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路14釋放，系統(tǒng)欠壓顯示停機(jī)，并重新進(jìn)行判斷；
sl20、如果儲(chǔ)能電容11上的電壓達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路14閉合；s200、電壓檢測(cè)單元13通過(guò)電壓信號(hào)采集端檢測(cè)到低壓電網(wǎng)配電單元18和輸入開(kāi)關(guān)12之間的三相線路上的電壓變化，將采集數(shù)據(jù)傳送給勵(lì)磁控制器8，勵(lì)磁控制器8對(duì)其頻率和相位進(jìn)行鎖相處理；s300、通過(guò)I/O接口 5、遠(yuǎn)程通訊接口 6、操作與顯示單元9對(duì)勵(lì)磁控制器8進(jìn)行控制命令、頻率、采樣等操作；當(dāng)接收到運(yùn)行命令后，勵(lì)磁控制器8根據(jù)電網(wǎng)的頻率和相位，從PWM信號(hào)輸出端發(fā)出相同頻率和反相位的輸出電壓；s400、延時(shí)一段時(shí)間后，閉合第一接觸器1，大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)處于零速運(yùn)行狀態(tài)；s500、結(jié)束延時(shí)后，勵(lì)磁控制器8按照設(shè)定的頻率和加減速時(shí)間運(yùn)行；通過(guò)第一電流檢測(cè)單元2和第二電流檢測(cè)單元7檢測(cè)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)不同繞組的電流變化；并通過(guò)操作與顯示單元9、通用I/O接口 5、或遠(yuǎn)程通訊接口 6進(jìn)行控制；s600、當(dāng)勵(lì)磁控制器8接收到停機(jī)命令后，根據(jù)減速時(shí)間，先減速到零速，再通過(guò)第一接觸器I的控制輸入端控制斷開(kāi)第一接觸器1，然后經(jīng)過(guò)延時(shí)后關(guān)閉勵(lì)磁輸出。通過(guò)本控制時(shí)序與方法，制動(dòng)單元16在零速到同步速加速段，或者同步速以上的快速減速等回饋過(guò)程起作用。使得本發(fā)明的變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于長(zhǎng)期運(yùn)行在同步速以上的負(fù)載，同步速以下只進(jìn)行加減速的場(chǎng)合。如圖6所示，利用實(shí)施例3或4進(jìn)行大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制(時(shí)序)的方法的主要步驟包括:slO、閉合輸入開(kāi)關(guān)12，軟啟動(dòng)電路14工作，系統(tǒng)判斷儲(chǔ)能電容11上的電壓是否達(dá)到吸合點(diǎn)；sll、如果儲(chǔ)能電容11上的電壓沒(méi)有達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路14釋放，系統(tǒng)欠壓顯示停機(jī)，并重新進(jìn)行判斷；sl2、如果儲(chǔ)能電容11上的電壓達(dá)到吸合點(diǎn)后,則軟啟動(dòng)電路14閉合；s20、電壓檢測(cè)單元13通過(guò)電壓信號(hào)采集端檢測(cè)到低壓電網(wǎng)配電單元18和輸入開(kāi)關(guān)12之間的三相線路上的電壓變化，將采集數(shù)據(jù)傳送給勵(lì)磁控制器8，勵(lì)磁控制器8對(duì)其頻率和相位進(jìn)行鎖相處理，PWM整流單元21開(kāi)始工作；s30、通過(guò)I/O接口 5、遠(yuǎn)程通訊接口 6、操作與顯示單元9對(duì)勵(lì)磁控制器8進(jìn)行控制命令、頻率、采樣等操作；當(dāng)接收到運(yùn)行命令后，勵(lì)磁控制器8根據(jù)電網(wǎng)的頻率和相位，從PWM信號(hào)輸出端發(fā)出相同頻率和反相位的輸出電壓；s40、延時(shí)一段時(shí)間后，閉合第一接觸器，電機(jī)處于零速運(yùn)行狀態(tài)；s50、結(jié)束延時(shí)后，勵(lì)磁控制器8按照設(shè)定的頻率和加減速時(shí)間運(yùn)行；通過(guò)第一電流檢測(cè)單元2和第二電流檢測(cè)單元7檢測(cè)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)不同繞組的電流變化；并通過(guò)操作與顯示單元9、通用I/O接口 5、或遠(yuǎn)程通訊接口 6進(jìn)行控制；s60、當(dāng)勵(lì)磁控制器8接收到停機(jī)命令后，根據(jù)減速時(shí)間，先減速到零速，再通過(guò)第一接觸器I的控制輸入端控制斷開(kāi)第一接觸器1，然后經(jīng)過(guò)延時(shí)后關(guān)閉勵(lì)磁輸出。本控制時(shí)序與方法更適合對(duì)大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的頻繁加減速控制，也適用于大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速長(zhǎng)期在同步速以下運(yùn)行的轉(zhuǎn)速控制，可使得再生能量回饋電網(wǎng)，效率較高。
以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組和控制繞組，其特征在于:還包括第一接觸器、輸入電源配電單元、輸入開(kāi)關(guān)、軟啟動(dòng)電路、交直流整流單元、儲(chǔ)能電容、操作與顯示單元，以及由勵(lì)磁控制器、逆變單元、第一電流檢測(cè)單元、第二電流檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元組成的勵(lì)磁控制與逆變模塊； 所述功率繞組的三相輸入線路串聯(lián)第一接觸器后連接所述輸入電源配電單元的一個(gè)三相輸出端，所述輸入電源配電單元的另一個(gè)三相輸出端通過(guò)三相線路連接所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸入端，所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸出端通過(guò)三相線路連接所述交直流整流單元的三相輸入端，所述交直流整流單元輸出端的正負(fù)直流母線順序串聯(lián)所述儲(chǔ)能電容后，連接所述逆變單元的正負(fù)直流輸入端，所述逆變單元的三相輸出端通過(guò)三相線路連接所述控制繞組，所述軟啟動(dòng)電路串聯(lián)在所述交直流整流單元與所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸出端間的線路上，或串聯(lián)在所述交直流整流單元與儲(chǔ)能電容之間的線路上，所述操作與顯示單元和所述勵(lì)磁控制器之間通過(guò)串行通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)連接； 所述勵(lì)磁控制器通過(guò)所述第一電流檢測(cè)單元采集所述功率繞組與第一接觸器間三相線路的電流變化，通過(guò)所述第二電流檢測(cè)單元采集控制繞組與所述逆變單元間三相線路的電流變化，通過(guò)所述電壓檢測(cè)單元采集所述輸入開(kāi)關(guān)與所述輸入電源配電單元間三相線路的電壓變化，并生成控制所述第一接觸器的控制信號(hào)和生成控制所述逆變單元輸出的PWM信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述交直流整流單元為全橋整流單元(15),還包括制動(dòng)單元(16)和制動(dòng)電阻(17),所述軟啟動(dòng)電路(14)串聯(lián)在全橋整流單元(15)輸出端與所述儲(chǔ)能電容(11)之間的直流母線上，所述軟啟動(dòng)電路(14)和所述儲(chǔ)能電容間的正負(fù)直流母線上并聯(lián)所述制動(dòng)單元(16)，所述制動(dòng)單元(16)并聯(lián)所述制動(dòng)電阻(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述交直流整流單元為PWM整流單元(21)，還包括BOOST電抗器(22)，在所述輸入開(kāi)關(guān)(12)的三相輸出端與PWM整流單元(21)間的線路上順序串聯(lián)所述軟啟動(dòng)電路(14)和所述BOOST電抗器(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述輸入電源配電單元為低壓電網(wǎng)配電單元(18)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述輸入電源配電單元包括高壓電網(wǎng)配電單元(20)和低壓電網(wǎng)配電單元(18)，還包括變壓器(19)，所述高壓電網(wǎng)配電單元(20)的一個(gè)三相輸出端串聯(lián)所述第一接觸器，所述高壓電網(wǎng)配電單元(20)的另一個(gè)三相輸出端與所述變壓器(19)的一次側(cè)連接，所述變壓器(19)的二次側(cè)連接所述低壓電網(wǎng)配電單元(18)的電源輸入端，所述低壓電網(wǎng)配電單元(18)的三相輸出端通過(guò)三相線路連接輸入開(kāi)關(guān)(12)的三相輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5任一所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述BOOST電抗器(22)直接串聯(lián)在PWM整流單元(21)和軟啟動(dòng)電路(14)之間，或者與非容性元件串聯(lián)在PWM整流單元(21)和軟啟動(dòng)電路(14)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求 1至5任一所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述軟啟動(dòng)電路(14)用于三相線路時(shí)采用三相軟啟動(dòng)或兩相軟啟動(dòng)連接結(jié)構(gòu),所述軟啟動(dòng)電路(14)用于正負(fù)直流線路時(shí)采用兩相軟啟動(dòng)或單相軟啟動(dòng)連接結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述PWM整流單元(21)和所述逆變單元(10)用于通斷調(diào)制電力半導(dǎo)體器件都可以采用可控硅整流器、門(mén)極可關(guān)斷器件、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管、集成門(mén)極換流晶閘管、對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管中的一種。
9.利用權(quán)利要求1至8任一所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速的控制方法，其特征在于包括以下步驟: s 100、閉合輸入開(kāi)關(guān)(12 )，軟啟動(dòng)電路(14 )工作，系統(tǒng)判斷儲(chǔ)能電容(11)上的電壓是否達(dá)到吸合點(diǎn)； sllO、如果儲(chǔ)能電容(11)上的電壓沒(méi)有達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路(14)釋放，系統(tǒng)欠壓顯示停機(jī)，并重新進(jìn)行判斷； sl20、如果儲(chǔ)能電容(11)上的電壓 達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路(14)閉合；s200、電壓檢測(cè)單元(13)通過(guò)電壓信號(hào)采集端檢測(cè)到低壓電網(wǎng)配電單元(18)和輸入開(kāi)關(guān)(12)之間的三相線路上的電壓變化，將采集數(shù)據(jù)傳送給勵(lì)磁控制器(8)，勵(lì)磁控制器(8)對(duì)其頻率和相位進(jìn)行鎖相處理； s300、通過(guò)I/O接口(5)、或遠(yuǎn)程通訊接口(6)、或操作與顯示單元(9)對(duì)勵(lì)磁控制器(8)進(jìn)行控制命令、頻率、采樣等操作；當(dāng)接收到運(yùn)行命令后，勵(lì)磁控制器(8)根據(jù)電網(wǎng)的頻率和相位，從PWM信號(hào)輸出端發(fā)出相同頻率和反相位的輸出電壓；s400、延時(shí)一段時(shí)間后，閉合第一接觸器(1)，大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)處于零速運(yùn)行狀態(tài)； s500、結(jié)束延時(shí)后，勵(lì)磁控制器(8)按照設(shè)定的頻率和加減速時(shí)間運(yùn)行；通過(guò)第一電流檢測(cè)單元(2)和第二電流檢測(cè)單元(7)檢測(cè)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)不同繞組的電流變化；并通過(guò)操作與顯示單元(9)、或通用I/O接口( 5)、或遠(yuǎn)程通訊接口(6)進(jìn)行控制； s600、當(dāng)勵(lì)磁控制器(8)接收到停機(jī)命令后，根據(jù)減速時(shí)間，先減速到零速，再通過(guò)第一接觸器(I)的控制輸入端控制斷開(kāi)第一接觸器(I )，然后經(jīng)過(guò)延時(shí)后關(guān)閉勵(lì)磁輸出。
10.利用權(quán)利要求1至8任一所述的大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速的控制方法，其特征在于包括以下步驟: slO、閉合輸入開(kāi)關(guān)(12)，軟啟動(dòng)電路(14)工作，系統(tǒng)判斷儲(chǔ)能電容(11)上的電壓是否達(dá)到吸合點(diǎn)； sll、如果儲(chǔ)能電容(11)上的電壓沒(méi)有達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路(14)釋放，系統(tǒng)欠壓顯示停機(jī)，并重新進(jìn)行判斷； sl2、如果儲(chǔ)能電容(11)上的電壓達(dá)到吸合點(diǎn)后，則軟啟動(dòng)電路(14)閉合；s20、電壓檢測(cè)單元(13)通過(guò)電壓信號(hào)采集端檢測(cè)到低壓電網(wǎng)配電單元(18)和輸入開(kāi)關(guān)(12)之間的三相線路上的電壓變化，將采集數(shù)據(jù)傳送給勵(lì)磁控制器(8)，勵(lì)磁控制器(8)對(duì)其頻率和相位進(jìn)行鎖相處理，PWM整流單元(21)開(kāi)始工作； s30、通過(guò)I/O接口(5)、或遠(yuǎn)程通訊接口(6)、或操作與顯示單元(9)對(duì)勵(lì)磁控制器(8)進(jìn)行控制命令、頻率、采樣等操作；當(dāng)接收到運(yùn)行命令后，勵(lì)磁控制器(8)根據(jù)電網(wǎng)的頻率和相位，從PWM信號(hào)輸出端發(fā)出相同頻率和反相位的輸出電壓； s40、延時(shí)一段時(shí)間后，閉合第一接觸器，電機(jī)處于零速運(yùn)行狀態(tài)；s50、結(jié)束延時(shí)后，勵(lì)磁控制器(8)按照設(shè)定的頻率和加減速時(shí)間運(yùn)行；通過(guò)第一電流檢測(cè)單元(2)和第二電流檢測(cè)單元(7)檢測(cè)無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)不同繞組的電流變化；并通過(guò)操作與顯示單元(9)、或通用I/O接口( 5)、或遠(yuǎn)程通訊接口(6)進(jìn)行控制； s60、當(dāng)勵(lì)磁控制器(8)接收到停機(jī)命令后，根據(jù)減速時(shí)間，先減速到零速，再通過(guò)第一接觸器(I)的控 制輸入端控制斷開(kāi)第一接觸器(I )，然后經(jīng)過(guò)延時(shí)后關(guān)閉勵(lì)磁輸出。
全文摘要
一種大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括大功率無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的功率繞組和控制繞組，還包括第一接觸器、輸入電源配電單元、輸入開(kāi)關(guān)、軟啟動(dòng)電路、交直流整流單元、儲(chǔ)能電容、操作與顯示單元，以及由勵(lì)磁控制器、逆變單元、第一電流檢測(cè)單元、第二電流檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元組成的勵(lì)磁控制與逆變模塊，功率繞組串聯(lián)第一接觸器后連接輸入電源配電單元、輸入開(kāi)關(guān)、交直流整流單元、儲(chǔ)能電容、逆變單元后連接所述控制繞組，所述軟啟動(dòng)電路串聯(lián)在所述交直流整流單元與所述輸入開(kāi)關(guān)的三相輸出端間的線路上，或串聯(lián)在所述交直流整流單元與儲(chǔ)能電容之間的線路上?？梢酝瓿蔁o(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的全程變頻調(diào)速。還包括基本的控制時(shí)序與方法。
文檔編號(hào)H02P6/08GK103138674SQ20131010503
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者劉宏鑫, 向守兵, 馬文武, 譚應(yīng)朝, 杜戰(zhàn)波, 趙雅茹 申請(qǐng)人:北京索德電氣工業(yè)有限公司