专利名称：一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种绕线转子永磁电机的起动装置，特别是涉及一种对绕线转子永磁电动 机的起动过程进行优化控制的装置，属于永磁电机驱动技术领域。
背景技术：
大型起升设备对主驱动系统的基本要求是在频繁起动的工况下，起动转矩大即与额定 转矩比大于2，起动电流小即与额定电流比小于3，起动时间尽可能短即12s内。
异步电机在额定电压下起动时，起动电流约是额定电流的4到7倍。通常大型 起升设备采用绕线转子异步电动机作为主驱动，起动时通过在转子回路外串电阻的方法， 降低起动电流，提高起动转矩。起升设备是按照最大起重能力选择电机，一般情况下，起升 设备的平均负载率低于50%，此时异步电机的效率和功率因数都会大幅度降低。专利号为 200910012259. 7的发明专利，巧妙地将永磁电动机效率和功率因数几乎与负载率无关的优 点，与绕线转子异步电动机可以外串电阻降低起动电流、提高起动转矩的优点组合，设计出 绕线转子自起动永磁电机作为起升设备的主驱动。很好地解决了起升设备平均负载率低， 起动频繁的问题。但此发明专利采用的起动方法在电阻切除瞬间转矩脉动，产生较大的冲 击，影响起升设备的使用寿命。
针对高压电机的起动问题，专利号为200420032802. 2的实用新型专利，采用的是 在电机的定子绕组末端外串三相整流桥，并在整流装置的直流侧并联电力电子功率开关器 件，通过电力电子开关的通断，调节定子端电压有效值，用这种方法实现降低高压交流电动 机起动电流，即实现高压交流电动机的软起动。然而这是一种降压起动方法，这种方法同时 会使电机的起动转矩与电压降低的数量成平方倍降低，比较适合风机、泵类或对起动转矩 没有要求的负载，但不能满足起升设备的重载起动工况要求。
目前大多数绕线转子异步电动机的起动方式主要有两种一是频敏变阻器起动， 这种方法是利用起动过程中转子电流的频率变化导致外串频敏变阻器等效阻抗的变化，实 现降低起动电流的目的。频敏变阻器是一种感性元件，它在降低起动电流的同时，也会降低 电机的起动转矩，并对电机的功率因数有较大的影响。另一种方法是转子外串多级电阻起 动，这种方法常用于起重转矩要求较高的场合，这种起动方案，转子外串电阻由交流接触 器逐级切除，电阻切除的瞬间，电机的输出转矩会产生突变，对起升设备的钢丝绳和传动系 统有较强的冲击，存在安全隐患。
发明内容
1、发明目的本发明提供了一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，其目的是为了使电 机的起动转矩保持在最大电磁转矩，起动电流小，可以实现起动时间最短，并且保证了电机 起动过程的平稳性。
2、技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，主要包括三相整流装置、可关断3型电力电子开关、电力电子开关保护电路、固定电阻器、检测装置、CPU处理单元、电力电子 开关驱动单元，其特征在于绕线转子永磁电机的转子绕组经滑环和电刷接在三相整流装 置的交流侧，三相整流装置的直流侧并联固定电阻器，固定电阻器两端并联可关断型电力 电子开关，检测装置接在转子绕组经过滑环和电刷后的任意一相上，另一端与CPU处理单 元连接。
将绕线转子永磁电动机转子绕组中的交流电流经滑环和电刷引出，通过三相整流 装置转为直流电流，固定电阻器并联连接在三相整流装置直流侧，在固定电阻器两端并联 可关断型电力电子开关，利用保护电路对电力电子开关进行保护。
三相整流装置采用二极管构成的全桥整流模块，实现交流到直流的转换。
可关断型电力电子开关可以采用IGBT、功率M0SFET、GTR等可关断型开关器件。
可关断型电力电子开关在通断的过程中，易产生过电压和过电流，采用缓冲吸收 电路对开关进行保护，采用RC吸收回路或RCD吸收回路等。
检测装置检测转子绕组中的电流和频率，可以采用电流互感器或霍尔元件等实 现。
固定电阻器采用康铜丝制造，功率值满足转差功率要求，电阻大小视设计而定。
CPU处理单元可以采用单片机、DSP、PLC和工控机等其他具有CPU处理功能的器 件。
一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制方法，其特征在于定子绕组通电 初始，转子绕组中电流频率为最大值，此时可关断型电力电子开关截止，占空比为0，固定电 阻器以最大值外串在绕线转子永磁电机的转子侧，随着转子速度的逐渐上升，用检测装置 检测转子绕组中任意一相的电流和频率信号，并将检测结果输送给CPU处理单元，CPU处理 单元的输出信号传送给电力电子开关驱动单元作为可关断型电力电子开关的控制信号，改 变可关断型电力电子开关的占空比控制电力电子开关的通断比例，调节固定电阻器，从而 改变转子侧等效外串电阻值，保证在起动过程中电机在最大电磁转矩下加速，实现无级切 换；当绕线转子永磁电机的转速接近同步速即转子侧起动绕组中电流频率约为0. 02f\时， 可关断型电力电子开关导通，此时占空比为1，将外串电阻全部切除，电机牵入同步，完成平 滑起动。
电动机起动时转子绕组外接一个固定电阻器。
基于PWM技术，利用可关断型电力电子开关的通断来控制外串起动电阻的大小， 保证电机在最大电磁转矩下起动。
起动过程中CPU处理单元输出可关断型电力电子开关的控制信号，起动过程中自 动改变占空比。
本方法还可以用于绕线转子异步电动机中。
3、优点及效果 本发明具有如下优点采用本发明的起升设备在起动过程当中保证了在最大电磁转矩下起动，使得起动速度 加快，起动时间大幅缩短。取消了交流接触器的定期维护，由于在起动过程当中转矩无脉 动，保证了起升设备(如钢丝绳等)起动过程当中的安全性，延长了起升设备的使用寿命。
四
图1为本发明装置的原理图；图2为本发明采用转子串接3级电阻起动的绕线转子永磁电机的机械特性曲线示意图；图3为本发明最佳机械特性曲线示意图。
附图标记说明图1中1、绕线转子永磁电机的定子绕组，2、绕线转子永磁电机的转子绕组，3、滑环， 4、电刷，5、三相整流装置，6、可关断型电力电子开关，7、电力电子开关保护电路，8、固定电 阻器，9、检测装置，10、CPU处理单元，11、电力电子开关驱动单元。
五具体实施例方式下面结合附图对本发明加做进一步的说明一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，如图1中所示，主要包括三相整 流装置5、可关断型电力电子开关6、电力电子开关保护电路7、固定电阻器8、检测装置9、 CPU处理单元10、电力电子开关驱动单元11，其特征在于绕线转子永磁电机的转子绕组2 经滑环3和电刷4接在三相整流装置5的交流侧，将绕线转子永磁电动机转子绕组中的交 流电流经滑环3和电刷4引出，通过三相整流装置5转为直流电流，三相整流装置5的直流 侧并联固定电阻器8，固定电阻器8两端并联可关断型电力电子开关6对固定电阻器8进行 控制，利用保护电路7对电力电子开关6进行保护；检测装置9接在转子绕组2经过滑环3 和电刷4后的任意一相上，另一端与CPU处理单元10连接。检测装置9检测转子绕组中的 任意一相上的电流和频率，并将检测结果输送给CPU处理单元10，通过运算处理，由CPU处 理单元10给出电力电子开关合理的通断比例，将此结果输送给电力电子开关驱动单元11， 控制可关断型电力电子开关6的通断，直至绕线转子永磁电机牵入同步。
三相整流装置5采用二极管构成的全桥整流模块，实现交流到直流的转换。
可关断型电力电子开关6可以采用IGBT、功率M0SFET、GTR等可关断型开关器件。
可关断型电力电子开关6在通断的过程中，易产生过电压和过电流，电力电子开 关保护电路7采用缓冲吸收电路RC吸收回路或RCD吸收回路对电力电子开关6进行保护。
检测装置9检测转子绕组2中的电流和频率，可以采用电流互感器或霍尔元件等 实现。
固定电阻器8采用康铜丝制造，功率值满足转差功率要求，电阻大小视具体设计 而定。
CPU处理单元10可以采用单片机、DSP、PLC和工控机等其他具有CPU处理功能的 器件。
一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制方法，其特征在于定子绕组1通 电初始，转子绕组2中电流频率为最大值，此时可关断型电力电子开关6截止，占空比为0， 固定电阻器8以最大值外串在绕线转子永磁电机的转子侧，随着转子速度的逐渐上升，用 检测装置9检测转子绕组2中任意一相的电流和频率信号，并将检测结果输送给CPU处理 单元，CPU处理单元的输出信号传送给电力电子开关驱动单元11作为可关断型电力电子开 关6的控制信号，改变可关断型电力电子开关6的占空比控制电力电子开关的通断比例，调 节固定电阻器8，从而改变转子侧等效外串电阻值，保证在起动过程中电机在最大电磁转矩 下加速，实现无级切换；当绕线转子永磁电机的转速接近同步速即转子侧起动绕组中电流5频率约为0. 02f\时，可关断型电力电子开关6导通，此时占空比为1，将外串电阻全部切除， 电机牵入同步，完成平滑起动。
电动机起动时转子绕组2外接一个固定电阻器8。
本发明方法基于PWM技术，利用可关断型电力电子开关6的通断来控制外串起动 电阻的大小，保证电机在最大电磁转矩下起动。
起动过程中CPU处理单元10输出可关断型电力电子开关6的控制信号，起动过程 中可以自动改变占空比。
本方法还可以用于绕线转子异步电动机中。
采用转子外串多级电阻起动的绕线转子永磁电机，外串电阻级数有限，且 级数越多电气控制也越复杂。以转子侧外串3级电阻为例，定子通电初始，3级电 阻全部串接到转子侧，机械特性如图2中曲线4所示，当电机速度达到n4时，切除 第1级外串电阻，转矩跃变至曲线3，依此，在速度η2时切除第2级电阻，速度为nl 时，切除第3级电阻，最终电机机械特性将沿着曲线1运动，牵入同步完成起动。图 2中实线段为绕线转子永磁电机外串3级电阻起动的机械特性，根据转矩平衡方程Te = + +J^可知，在切换电阻的瞬间，ΔΓ =Γ_-Γ3-Γ0 = Jf >O ,即图2中的Δ Ti d￡ d￡(i=l，2，3)。转矩的突变，对起升设备造成了较大的机械冲击，严重影响了机械设备的使用 寿命，同时起升设备的频繁起动，也使交流接触器需要定期更换。
采用本发明的绕线转子永磁电机，由于起动过程中通过在线检测达到实时控制转 子外串电阻值，所以电机在尚未牵入同步之前始终保持在最大电磁转矩下运行，图3中的 实线段为绕线转子永磁电机在本发明下的的起动最佳机械特性曲线，虚线为该电机采用转 子外串多级电阻的起动机械特性曲线，从图中对比可以看出，采用本发明的起动优化控制 方法，电机起动转矩无脉动，起动平滑，迅速。
本发明简单易维护，安装器件与原有的起动方法相比大幅减少，排查容易，降低了 复杂性。
权利要求
1.一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，主要包括三相整流装置(5)、 可关断型电力电子开关(6)、电力电子开关保护电路(7)、固定电阻器(8)、检测装置(9)、 CPU处理单元(10)、电力电子开关驱动单元(11)，其特征在于绕线转子永磁电机的转子绕 组(2 )经滑环(3 )和电刷(4 )接在三相整流装置(5 )的交流侧，三相整流装置(5 )的直流侧 并联固定电阻器(8)，固定电阻器(8)两端并联可关断型电力电子开关(6)，检测装置(9)接 在转子绕组(2)经过滑环(3)和电刷(4)后的任意一相上，另一端与CPU处理单元(10)连 接。
2.根据权利要求1所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，其特征 在于三相整流装置(5)采用二极管构成的全桥整流模块。
3.根据权利要求1所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，其特征 在于电力电子开关保护电路(7)采用RC吸收回路或RCD吸收回路对电力电子开关(6)进 行保护。
4.根据权利要求1所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，其特征 在于固定电阻器(8)采用康铜丝制造。
5.根据权利要求1所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置，其特征 在于检测装置(9)为电流互感器或霍尔元件。
6.一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制方法，其特征在于定子绕组(1)通 电初始，转子绕组(2)中电流频率为最大值，此时可关断型电力电子开(6)截止，占空比为 0，固定电阻器(8)以最大值外串在绕线转子永磁电机的转子侧，随着转子速度的逐渐上升， 用检测装置(9)检测转子绕组(2)中任意一相的电流和频率信号，并将检测结果输送给CPU 处理单元(10)，CPU处理单元(10)的输出信号传送给电力电子开关驱动单元(11)作为可关 断型电力电子开关(6)的控制信号，改变可关断型电力电子开关(6)的占空比控制电力电 子开关的通断比例，调节固定电阻器(8)，从而改变转子侧等效外串电阻值，保证在起动过 程中电机在最大电磁转矩下加速，实现无级切换；当绕线转子永磁电机的转速接近同步速 即转子侧起动绕组中电流频率约为0. 02f\时，可关断型电力电子开关(6)导通，此时占空比 为1，将外串电阻全部切除，电机牵入同步，完成平滑起动。
7.根据权利要求6所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制方法，其特征 在于电动机起动时转子绕组(2 )外接一个固定电阻器(8 )。
8.根据权利要求6所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制方法，其特征 在于基于PWM技术，利用可关断型电力电子开关(6)的通断来控制外串起动电阻的大小， 保证电机在最大电磁转矩下起动。
9.根据权利要求6所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制方法，其特征 在于起动过程中CPU处理单元(10)输出可关断型电力电子开关(6)的控制信号，起动过 程中自动改变占空比。
10.根据权利要求6所述的一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制方法，其特 征在于该方法还可以用于绕线转子异步电动机中。
全文摘要
本发明属于永磁电机驱动技术领域，涉及一种绕线转子永磁电动机的起动过程优化控制装置及方法，主要包括三相整流装置、可关断型电力电子开关、电力电子开关保护电路、固定电阻器、检测装置、CPU处理单元、电力电子开关驱动单元；本发明装置可以使电机的起动转矩保持在最大电磁转矩，起动电流小，可以实现起动时间最短，保持起动过程的平稳性，具有结构简单、便于维护、易于排查的优点；利用本发明的起动优化控制方法可以使电机平滑、迅速起动。
文档编号H02P1/34GK102045011SQ201010557308
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者冯桂宏, 张炳义, 李超 申请人:沈阳工业大学