无刷双馈电机的运行状态控制方法与流程

本发明具体涉及一种无刷双馈电机的运行状态控制方法。

背景技术：

无刷双馈电机结构特殊，区别于普通电机，其定子端有两套定子绕组，一套称之为功率绕组，一般设计为高压，直接连接高压电网，另一套称之为控制绕组，一般设计为低压，低压绕组通过控制器接低压电网，利用该控制器可以实现对电机的调速。同普通交流电机相比，该电机无碳刷及换向器，可以实现以小容量低压控制器控制大功率高压电机，因此该电机在风电，水电，风机水泵变频驱动等领域应用前景广泛。

但是正是由于无刷双馈电机结构特殊，其控制系统结构以及控制方法也很复杂，目前尚未实现大规模的应用案例。单从无刷双馈电机的运行状态控制来讲，与一套普通三相交流电机控制系统相比（图一所示），一套完整的无刷双馈电机控制系统（图二所示）中包含更多的开关器件，需要通过不同的逻辑组合让无刷双馈电机工作在特定的运行状态，其功率侧、控制侧的上下电、无刷双馈电机的异步启动、变频调速、停机、急停等运行状态的实现及切换均涉及到多个开关操作。目前对于无刷双馈电机的控制方法，专注于对于无刷双馈电机自身转速或转矩的控制，而对于系统安全常常较为忽视，因此现有的控制方法常常导致开关操作时机或者顺序出现异常，使得控制系统出现安全问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够保证无刷双馈电机安全稳定运行、而且实现简单可靠、运转高效的无刷双馈电机的运行状态控制方法。

本发明提供的这种无刷双馈电机的运行状态控制方法，包括如下步骤：

S1. 无刷双馈电机控制系统上电；控制系统判断部件的工作状态，完成系统自检，进入待机状态；

S2. 控制系统根据接收到的开机命令和待机状态下部件运行状况，根据如下判断规则判断无刷双馈电机的目标控制状态：

a. 若部件运行正常且接收到开机命令，则控制无刷双馈电机工作在异步运行模式；

b. 若部件运行异常，则断开所有电源，控制无刷双馈电机工作在故障停机状态，并报警；

S3 控制系统根据接收到的控制命令和部件运行状况，采用如下判断规则判断工作在异步运行模式下的无刷双馈电机的目标控制状态：

c. 若部件运行异常，则断开所有电源，控制无刷双馈电机工作在故障停机状态，并报警；

d. 若部件运行正常且接收到停机命令，则控制无刷双馈电机自由停机并工作在待机状态；

e. 若部件运行正常且未接收到控制命令，则控制无刷双馈电机工作在同步转速下，并将无刷双馈电机运行状态切换至双馈运行状态；

f. 若仅控制器运行异常且所述运行异常不影响无刷双馈电机保持在异步运行模式，则控制系统不动作；

S4. 控制系统根据接收到的控制命令和部件运行状况，采用如下判断规则判断工作在双馈运行模式下的无刷双馈电机的目标控制状态：

g. 若部件运行异常，则断开所有电源，控制无刷双馈电机工作在故障停机状态，并报警；

h. 若部件运行正常且接收到停机命令，则控制无刷双馈电机运转至同步转速，然后控制无刷双馈电机依次运行在异步工作模式和待机状态；

i. 若仅控制器运行异常且所述运行异常不影响无刷双馈电机保持在异步运行模式，则控制无刷双馈电机转至同步转速，然后控制无刷双馈电机运行在异步工作模式。

步骤S1所述的判断判断部件的工作状态并完成系统自检，具体为若部件的工作状态均正常，则系统自检完成，进入待机状态；若任一部件的工作状态异常，则报警。

步骤S2所述的控制无刷双馈电机工作在异步运行模式，具体为闭合高压功率开关接触器，将启动电阻接入无刷双馈电机控制侧绕组的启动回路，控制无刷双馈电机进行异步启动，并在异步启动完成后将启动电阻切除，同时将无刷双馈电机控制侧绕组短路，控制无刷双馈电机运行在异步运行模式；

步骤S3所述的控制无刷双馈电机自由停机并工作在待机状态，具体为断开无刷双馈电机的功率绕组与电源线的连接，并将启动电阻切除，控制无刷双馈电机停机并工作在待机状态。

步骤S3所述的控制无刷双馈电机工作在同步转速下，并控制无刷双馈电机工作在双馈运行状态，具体为检测到无刷双馈电机的转速达到同步转速的90%时，连接无刷双馈电机的控制侧绕组和控制器，控制无刷双馈电机工作在同步转速下，并当无刷双馈电机的转速等于同步转速时将无刷双馈电机的运行状态切换至双馈运行状态。

步骤S4所述的控制无刷双馈电机运转至同步转速，然后控制无刷双馈电机依次运行在异步工作模式和待机状态，具体为控制无刷双馈电机运转至同步转速，然后断开无刷双馈电机与控制器的连接，并将无刷双馈电机的控制侧绕组短接，此时无刷双馈电机工作在异步工作模式，然后再控制无刷双馈电机自由停机并工作在待机状态。

本发明提供的这种无刷双馈电机的运行状态控制方法，结合无刷双馈电机的特殊结构及控制要求，按照状态机的原理，将控制系统运行分为5种状态，通过不同状态的切换对各开关执行相应的动作，从而将原本复杂繁琐的开关逻辑控制过程变得简单高效；本发明对无刷双馈电机的开关机操作以及系统的分类故障作为各状态间的切换条件，即保证了系统动作的科学合理性，又有效保障了运行安全；当系统出现实现控制器侧故障时，本发明可以通过状态切换让无刷双馈电机维持在异步运行状态，从而保证了现场作业的不间断运行，在自来水厂的水泵，重要施工场所的风机等应用场合意义重大。

附图说明

图1为背景技术的普通三相交流电机控制系统的示意图。

图2为本发明技术的无刷双馈电机控制系统的示意图。

图3为本发明技术的控制状态转移示意图。

具体实施方式

如图2所示，为本法明技术的所述的无刷双馈电机控制系统的示意图：图中电机功率侧绕组接高压，功率绕组极对数为1，控制侧绕组接控制器，控制绕组极对数为3，控制器由低压供电，通过变压器与高压侧隔开，控制系统中包含主输入接触器KM1、预充电接触器KM2、预充电阻、控制器、操作面板、控制器输出接触器KM3、启动电阻接触器KM4、启动电阻、控制绕组短接接触器KM5、无刷双馈电机和功率侧高压开关接触器KM6。本发明技术的控制状态转移方法的目的就在于针对无刷双馈电机的各类运行状态，进行运行状态的切换和控制。

如图3所示为本发明技术的控制状态转移示意图，以下结合图2对本发明进行进一步说明：

1、上电自检状态：上电自检状态主要完成开关状态自检（通过断路器或接触器的开关状态反馈判断其是否处于初始状态），电网电压检测、控制器预充电等。如果上电自检不成功，则系统进行相应的故障提示，并且维持在该状态，直至自检相关的故障已排除。在该状态下系统不响应操作者的开机命令。如果上电自检通过，则控制程序自动切换到待机状态。

2、待机状态：在待机状态下系统主要完成状态监控等功能，并等待操作者执行无刷双馈电机操作开关。此种模式下系统状态具有两种目标控制状态：

1）若检测到无刷双馈电机启停开关变为启动状态时，则执行无刷双馈电机异步启动的操作，本案中具体动作是闭合高压功率开关接触器KM6，闭合启动电阻接触器KM4，此时按照无刷双馈电机的控制理论，n=60*（fp+fc）/Pp+Pc，（n代表无刷双馈电机转速，fp代表功率绕组电流频率，fc代表控制绕组电流频率，Pp代表功率绕组极对数，Pc代表控制绕组极对数）此时fc=0，fp=50Hz，Pp+Pc=4），（同步速即为60*（0+50）/（1+3）=750rpm）此时无刷双馈电机相当于一台普通的异步电机，开始进行异步启动，但由于启动电阻的存在，此时的稳定转速小于电机的同步转速，转速稳定后再将控制绕组短接接触器KM5闭合，并断开启动电阻接触器KM4，无刷双馈电机将进一步加速，此时系统运行状态自动切换至异步运行状态；

2）若检测到严重故障，则断开启动过程中已闭合的接触器，断开所有电源，并将无刷双馈电机切换至故障停机状态，并进行相应的故障报警。

3、异步运行状态：在异步运行状态下，系统运行状态局有4种目标控制状态：

1）若系统检测到停机命令，则断开高压功率开关接触器KM6，断开启动电阻接触器KM4，此时无刷双馈电机将自由停机，系统切换回待机状态；

2）若系统检测到严重故障或是急停按钮开关动作，则断开高压功率开关接触器KM6，断开启动电阻接触器KM4，并关闭相应的保护，此时无刷双馈电机将停机，系统切换至故障停机状态，并进行相应的故障报警；

3）若未检测到停机命令，当检测到无刷双馈电机转速接近同步速时（如无刷双馈电机的转速为同步转速的90%），断开启动电阻接触器KM4，然后闭合变频器输出接触器KM3，由控制器输出相应的电压信号来维持无刷双馈电机在同步速运行，然后系统切换至双馈运行状态；

4）若系统检测到控制器故障，但是不影响异步运行，则不进行双馈或停机转态切换，而保持在异步运行模式，从而保证作业现场不停机。

4、双馈运行状态：在双馈运行状态下，系统主要接受操作者发出的调速命令，并利用控制器调速算法通过控制绕组对无刷双馈电机进行调速，以满足不同的工况需求，实现控制系统的正常工作。此种状态下，系统运行状态具有3种目标控制状态：

1）若检测到停机命令，则首先将转速调至同步速，然后将控制器输出接触器KM3断开，并将控制绕组短接接触器KM5闭合，无刷双馈电机进入异步运行状态，接下来会在异步运行状态下执行切换到待机状态的动作直至无刷双馈电机停机；

2）若系统检测到严重故障或急停按钮开关动作，则断开控制器输出接触器KM3，断开高压侧功率开关接触器KM6，让无刷双馈电机自由停机，系统切换至故障停机状态，并进行相应的故障报警；

3）若系统检测到控制器故障，但是不影响异步运行，则首先将转速调至同步速，然后将控制器输出接触器KM3断开，并闭合控制绕组短接接触器KM5，将控制绕组短接，系统进入异步运行状态，并在该状态下维持无刷双馈电机异步运行。

5、在故障停机状态下，系统不响应操作者的开机操作命令，无刷双馈电机一直保持停机。直至检测到所有故障状态全部清除，则系统自动切入正常待机状态。

控制器软件按照本发明所设计的五种状态对无刷双馈电机进行控制，可以保证无刷双馈电机在任意时刻都处于合理可控的运行状态下，进而可以依据不同运行状态来执行不同的控制算法，保证系统稳定运行。