一种无刷双馈电机启动控制装置及方法与流程

本发明涉及电机调速系统领域，具体涉及一种无刷双馈电机启动控制装置及方法。

背景技术：

无刷双馈电机是一种新型电机。无刷双馈电机通过功率绕组、控制绕组和特殊设计的转子来实现无电刷结构。目前无刷双馈电动机启动方式可分为同步启动和异步启动，传统的同步启动是在无刷双馈电动机两套定子绕组同时加激励源，这要求变流器的容量与无刷双馈电机的容量一致，这与无刷双馈电动机能够只使用变流器部分容量的初衷相违背。针对这一问题，专利文献(ZL201511015056.5)通过将控制绕组变流器所有的功率器件断开，并将制动电阻接入功率控制绕组回路，这一方法虽然可利用变频器本身的资源，实现无刷双馈电机启动过程限流的功能和达到缩减设备的体积的效果，但这种方法存在如下不足：(1)当电机启动时间过长时，限流电阻发热严重，影响系统可靠工作；(2)当电机启动负载较大时，会出现电机启动失败的状况。专利文献(ZL201511015056.5)在将电机功率绕组短接基础上，通过调节电机侧变流器输出电压的幅值和频率，实现电机的启动。这一方法依然无法避免当电机启动负载较大时，会出现电机启动失败的状况。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无刷双馈电机启动控制装置及其启动控制方法，采用功率绕组接直流励磁，控制绕组接三相全控型电机侧变流器，可以使电机在启动过程中将无刷双馈电机等效为一台功率绕组和控制绕组互换的同步电动机，从而解决传统的同步启动方法中启动力矩不足的问题。

为达上述目的，本发明一种无刷双馈电机启动控制装置，包括无刷双馈电机、三相全控型电网侧变流器、三相全控型电机侧变流器和第一、二交流电源，还包括直流变换电路、切换开关、功率绕组控制开关以及系统控制单元，其中三相全控型电网侧变流器交流侧与第一交流电源依次分相连，三相全控型电网侧变流器的直流侧与三相全控型电机侧变流器的直流侧通过直流母线相连，直流母线上并联有直流母线电容；直流变换电路的输入侧与直流母线电容并联，直流变换电路的输出侧经过切换开关与无刷双馈电机的功率绕组相连，其中切换开关的第二输入端和第三输入端短接；第一交流电源经过功率绕组控制开关与无刷双馈电机的功率绕组相连；三相全控型电网侧变流器、三相全控型电机侧变流器、直流变换电路、切换开关和功率绕组控制开关分别与系统控制单元连接，系统控制单元输出控制三相全控型电机侧变流器中功率开关器件导通的时序信号，系统控制单元执行的控制序列包括：

步骤1：系统控制单元初始化，断开切换开关和功率绕组控制开关；

步骤2：启动三相全控型电网侧变流器，使三相全控型电网侧变流器输出电压达到额定值；

步骤3：闭合切换开关后，控制直流变换电路输出电压，使功率绕组的电流逐步达到预设值；

步骤4：系统控制单元发出指令，控制三相全控型电机侧变流器中各开关器件的通断，使无刷双馈电机的转速上升；

步骤5：判断无刷双馈电机的转速是否接近额定转速，如果是，断开切换开关，执行下一步骤；如果否，返回上一步骤；

步骤6：调节三相全控型电机侧变流器的输出电流，使功率绕组端电压的相位和幅值分别与第一交流电源的相位和幅值趋于一致；

步骤7：闭合功率绕组控制开关，完成启动过程，系统控制单元控制各功率开关器件的开关状态，无刷双馈电机进入正常运行状态。

本发明无刷双馈电机启动控制装置，其中所述步骤2采用基于瞬时功率理论的双环控制算法，使电网侧变流器输出电压达到额定值。

本发明无刷双馈电机启动控制装置，其中所述步骤4中系统控制单元检测无刷双馈电机控制绕组的电流，功率绕组端电压的相位、幅值和第二交流电源电压的相位、幅值，采用空间矢量调制算法，通过逐步改变控制绕组电流参考矢量的幅值和频率，控制三相全控型电机侧变流器中功率开关器件开关信号，逐步提高无刷双馈电机的转速。

本发明无刷双馈电机启动控制装置，其中所述第一交流电源与第二交流电源为相同的交流电源。

本发明无刷双馈电机启动控制装置，其中所述第一交流电源与第二交流电源为不相同的交流电源。

为达上述目的，本发明提供了一种无刷双馈电机启动控制方法，该方法设置无刷双馈电机、三相全控型电网侧变流器、三相全控型电机侧变流器、直流变换电路、切换开关、功率绕组控制开关以及系统控制单元，该方法包括以下步骤：

步骤1：系统控制单元初始化，断开切换开关和功率绕组控制开关；

步骤2：启动三相全控型电网侧变流器，使电网侧变流器输出电压达到额定值；

步骤3：闭合切换开关后，控制直流变换电路输出电压，使功率绕组的电流逐步达到预设值；

步骤4：系统控制单元发出指令，控制三相全控型电机侧变流器中各功率开关器件的通断，使无刷双馈电机的转速上升；

步骤5：判断无刷双馈电机的转速是否接近额定转速，如果是，断开切换开关，执行下一步骤；如果否，返回上一步骤；

步骤6：调节三相全控型电机侧变流器的输出电流，使功率绕组端电压的相位和幅值分别与第二交流电源的相位和幅值趋于一致；

步骤7：闭合功率绕组控制开关，完成启动过程，系统控制单元控制各功率开关的开关状态，无刷双馈电机进入正常运行状态。

本发明无刷双馈电机启动控制方法，其中所述步骤2采用基于瞬时功率理论的双环控制算法，使电网侧变流器输出电压达到额定值。

本发明无刷双馈电机启动控制方法，其中所述步骤4中系统控制单元检测无刷双馈电机控制绕组的电流，功率绕组端电压的相位、幅值和第二交流电源电压的相位、幅值，采用空间矢量调制算法，通过逐步改变控制绕组电流参考矢量的幅值和频率，控制三相全控型电机侧变流器中功率开关器件开关信号，逐步提高无刷双馈电机的转速。

本发明无刷双馈电机启动控制方法，其中所述第一交流电源与第二交流电源为相同的交流电源。

本发明无刷双馈电机启动控制方法，其中所述第一交流电源与第二交流电源为不相同的交流电源。

本发明无刷双馈电机启动控制装置及方法的优点和积极效果是：通过改进无刷双馈电机控制结构，将功率绕组接直流励磁，控制绕组接三相全控型电机侧变流器，由于定子绕组电阻小，直流变换电路输出电压可以较低，其容量也可较小，无刷双馈电机在启动过程中等效成为了一台功率绕组和控制绕组互换的同步电动机，从而解决传统的同步启动方法中启动力矩不足的问题，实现了无刷双馈电机的高性能启动。

附图说明

图1是本发明无刷双馈电机启动控制装置的电路结构图；

图2是本发明无刷双馈电机启动控制方法的控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合参照附图对本发明进一步详细说明本发明无刷双馈电机启动控制装置及方法的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明无刷双馈电机启动控制装置包括无刷双馈电机7、三相全控型电网侧变流器3、三相全控型电机侧变流器4，第一、二交流电源1、2，直流变换电路5、切换开关K1、功率绕组控制开关K2以及系统控制单元6。其中三相全控型电网侧变流器3交流侧与第一交流电源1依次分相连接，三相全控型电网侧变流器3的直流侧与三相全控型电机侧变流器4的直流侧通过直流母线相连，直流母线上并联有直流母线电容C。

直流变换电路5的输入侧与直流母线电容C并联，直流变换电路5的输出侧经过切换开关K1与无刷双馈电机7的功率绕组相连，其中切换开关K1的第二输入端和第三输入端短接；第二交流电源2经过功率绕组控制开关K2与无刷双馈电机7的功率绕组相连。

三相全控型电网侧变流器3、三相全控型电机侧变流器4、直流变换电路5、切换开关K1和功率绕组控制开关K2分别与系统控制单元6连接。系统控制单元6输出控制三相全控型电机侧变流器4中功率开关器件导通的时序信号，参照图2，系统控制单元6执行的控制序列包括：

步骤1：系统控制单元6初始化，断开切换开关K1和功率绕组控制开关K2；

步骤2：启动三相全控型电网侧变流器3，采用基于瞬时功率理论的双环控制算法，使三相全控型电网侧变流器3输出电压达到额定值；

步骤3：闭合切换开关K1后，控制直流变换电路5输出电压，使功率绕组的电流逐步达到预设值；

步骤4：系统控制单元发出指令，控制三相全控型电机侧变流器中各功率开关器件S7-S12的通断，使无刷双馈电机7的转速上升；

具体方法是系统控制单元6检测无刷双馈电机7控制绕组的电流，功率绕组端电压的相位、幅值和第二交流电源2电压的相位、幅值，采用空间矢量调制算法，通过逐步改变控制绕组电流参考矢量的幅值和频率，控制三相全控型电机侧变流器4中各功率开关器件S7-S12的开关信号，逐步提高无刷双馈电机的转速。

步骤5：系统控制单元6通过编码器实时检测无刷双馈电机7的转速，判断无刷双馈电机7的转速是否接近额定转速，如果是，断开切换开关K1，执行下一步骤；如果否，返回上一步骤；

步骤6：调节三相全控型电机侧变流器4的输出电流，使功率绕组端电压的相位和幅值分别与第二交流电源2的相位和幅值趋于一致；

步骤7：闭合功率绕组控制开关K2，完成启动过程，系统控制单元6控制各功率开关器件S1-S12的开关状态，无刷双馈电机7进入正常运行状态。

本发明提供的无刷双馈电机启动控制方法步骤，与系统控制单元6执行的控制序列一致。

在本发明无刷双馈电机启动控制装置及方法中，第一交流电源1与第二交流电源2可以为相同的交流电源，也可以为不相同的交流电源。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。