永磁同步電機電動及發電交替運行系統及其調節方法與流程
2023-11-06 06:40:17 4
本發明屬於電氣工程電機控制技術領域，具體的說，涉及永磁同步電機電動及發電交替運行系統及其調節方法。
背景技術：
永磁同步電機在工業生產中的應用越來越廣泛，而永磁同步電機的控制性能是永磁同步電機使用成敗的關鍵環節。在寬調速範圍內對電動/發電狀態做速度控制是永磁同步電機的主要控制方式之一。
目前對永磁同步電機的控制研究主要體現在兩個方面：
1、永磁同步電機通常運行在電動機方式下，通過把電能轉換為機械能，驅動機械裝置運行，在電動機運行方式下，控制器的能量是單一的從電源到永磁同步電機傳輸，直流環節的能量不能反向傳輸回到電源，浪費了電能；
2、永磁同步電機如果保持直流電壓不變，當轉子運行在低速情況下時，定子繞組需要的電壓低，則只有通過減小PWM脈衝的寬度來實現，使定子繞組端電壓中實際諧波分量增加，從而造成定子繞組電流脈動，使永磁同步電機的動靜態特性變差。
申請號201580014881.5，發明名稱直流電動機及發電機，公開了永磁鐵可與軸一同旋轉地被安裝在軸周圍，在永磁鐵周圍安裝有線圈，並安裝電磁鐵在永磁鐵周圍，採用電池使電磁鐵運行，再通過電磁鐵運行/非運行的裝置控制電磁鐵的運行，從而控制永磁鐵旋轉，永磁鐵旋轉帶動線圈產生電能送回電源，同時電動機軸的線圈切割磁感線，驅動電動機軸旋轉，雖然發明也解決了電動機電能的利用問題，但是其結構複雜，並且電動機與發電機是同時工作的，能源消耗大。
申請號201510019524.X，發明名稱永磁同步電機控制方法及裝置，公開了一種根據所述永磁同步電機的定子電流獲取所述永磁同步電機的轉矩電流；根據轉矩電流控制所述永磁同步電機運行，有效地提高了永磁同步電機的控制精度，但是其沒有能解決永磁同步電機轉矩脈動大，動靜態特性差，控制性能不好的問題。
因此，有必要提出永磁同步電機電動及發電交替運行系統及其調節方法，使其運行在運行狀態下實現永磁同步電機與電網的能量雙向傳輸，節約電能，無論是工作在發電機低速狀態，還是工作在電動機低速狀態，都能做到恆速、穩定、動靜態特性良好的運行。
技術實現要素：
為了克服背景技術中的問題，為了保證永磁同步電機在電動/發電交替運行狀態寬調速範圍運行，永磁同步電機電動及發電交替運行系統及其調節方法，能實現永磁同步電機在運行方式下與電網的能量雙向傳輸，使永磁同步電機既可以在電動機狀態下做恆速運行，也可以在發電機狀態下做恆速運行；同時可以使直流環節的電壓可變，使永磁同步電機無論是工作在發電機狀態，還是工作在電動機狀態，都能做到恆速、穩定、動靜態特性良好的運行。
為了實現上述目的，本發明是按照以下技術方案實現的：
所述的永磁同步電機電動及發電交替運行系統包括變壓器T、三相全橋四象限整流電路U01、三相全橋四象限整流電路U02、變直流電壓三相逆變電路U03、永磁同步電機；
所述的三相全橋四象限整流電路U01，包括V01、V02、V03、V04、V05、V06，VD01、VD02、VD03、VD04、VD05、VD06；V01與VD01反向並聯，V02與VD02反向並聯，V03與VD03反向並聯，V04與VD04反向並聯，V05與VD05反向並聯，V06與VD06反向並聯；V01陰極與V02陽極相連，V03陰極與V04陽極相連，V05陰極與V06陽極相連；V01陽極、V03陽極、V05陽極與直流傳輸線U1連接，V02陰極、V04陰極、V06陰極與直流傳輸線U2連接；變壓器副邊中的電壓輸出端A1相與V01陰極相連，電壓輸出端B1相與V03陰極相連，電壓輸出端C1相與V05陰極相連；
所述的三相全橋四象限整流電路U02，包括V07、V08、V09、V10、V11、V12，VD07、VD08、VD09、VD10、VD11、VD12；V07與VD07反向並聯，V08與VD08反向並聯，V09與VD09反向並聯，V10與VD10反向並聯，V11與VD11反向並聯，V12與VD12反向並聯；V07陰極與V08陽極相連，V09陰極與V10陽極相連，V11陰極與V12陽極相連；V07陽極、V09陽極、V11陽極與直流傳輸線U2連接，V08陰極、V10陰極、V12陰極與直流傳輸線U3連接；變壓器副邊中的電壓輸出端A2相與V07陰極相連，電壓輸出端B2相與V09陰極相連，電壓輸出端C2相與V11陰極相連；
變直流電壓三相逆變電路U03，包括V13、V14、V15、V16、V17、V18、V19、V20、V21、V22、V23、V24，VD13、VD14、VD15、VD16、VD17、VD18、VD19、VD20、VD21、VD22、VD23、VD24，V13與VD13反向並聯，V14與VD14反向並聯，V15與VD15反向並聯，V16與VD16反向並聯，V17與VD17反向並聯，V18與VD18反向並聯，V19與VD19反向並聯，V20與VD20反向並聯，V21與VD21反向並聯，V22與VD22反向並聯，V23與VD23反向並聯，V24與VD24反向並聯；V13陰極與V14陽極相連，V15陰極與V16陽極相連，V17陰極與V18陽極相連，V19陰極與V20陽極相連，V21陰極與V22陽極相連，V23的陰極與V24的陽極相連；
V14陰極與V15陽極相連，V18陰極與V19陽極相連，V22陰極與V23陽極相連，V13陽極、V17陽極、V21陽極與直流傳輸線U1連接，V16陰極、V20陰極、V24陰極與直流傳輸線U3連接；VD25陰極與V13陰極相連接，VD27陰極與V17陰極相連接，VD29陰極與V21陰極相連接，VD26陽極與V15陰極相連接，VD28陽極與V19陰極相連接，VD30陽極與V23陰極相連接，VD25陽極、VD27陽極、VD29陽極與直流傳輸線U2連接，VD26陰極、VD28陰極、VD30陰極與直流傳輸線U2連接；
所述的變壓器T與三相全橋四象限整流電路U01、三相全橋四象限整流電路U02電連接，三相全橋四象限整流電路U01、三相全橋四象限整流電路U02與變直流電壓三相逆變電路U03電連接，變直流電壓三相逆變電路U03與永磁同步電機相連。
所述的變壓器T包括原邊和副邊，變壓器T原邊為三相電源電壓輸入端A相、B相、C相，副邊為兩組，一組為三相電壓輸出端A1相、B1相、C1相，另一組為三相電壓輸出端A2相、B2相、C2相。
所述的變直流電壓三相逆變電路U03的V14陰極、V18陰極、V22陰極分別與永磁同步電機三相輸入端相連。
所述的永磁同步電機電動-發電交替運行系統還包括直流接觸器、電阻，KM01-1為直流接觸器KM01的觸點，KM02-1為直流接觸器KM02的觸點，與電阻R01連接，KM02-1與電阻R01串聯後，KM02-1、電阻R01再與KM01-1並聯，KM01-1、KM02-1一端與V01陽極、V03陽極、V05陽極相連，KM01-2為直流接觸器KM01的觸點，KM02-2為直流接觸器KM02的觸點，與電阻R02連接，KM02-2與電阻R02串聯後，KM02-2、電阻R02再與KM01-2並聯，KM02-2、KM01-2一端與V07陽極、V09陽極、V11陽極相連。
所述的永磁同步電機電動-發電交替運行系統還包括電容，電容C01一端與直流傳輸線U1連接，另一端與直流傳輸線U2連接；電容C02一端與直流傳輸線U2連接，另一端與直流傳輸線U3連接。
永磁同步電機電動及發電交替運行調節方法，其特徵在於：包括永磁同步電機電動發電恆速運行控制方法，永磁同步電動機跟隨電壓控制方法：
(1)永磁同步電機電動發電恆速運行控制方式包括：電動機恆速控制方法、發電機恆速控制方法。
步驟1，在永磁同步電機內安裝編碼檢測器，實時檢測編碼器的位置，也就是轉子旋轉的角度。
步驟2.在永磁同步電機投入運行前，對編碼器和三相定子電流的相位關係進行映射性地標定，此時轉子旋轉的位置就是定子等效磁極旋轉的位置，從而確定定子電流相位與定子等效磁極位置的關係。
步驟3.通過電流相位確定定子等效磁極的位置，即通過標定，測量定子電流的相位來確定定子等效磁場的空間旋轉角度。
步驟4.確定定子繞組電流的勵磁分量。
步驟5.控制定子繞組電流的大小，從而控制定子繞組電流勵磁分量大小。
步驟6.控制定子繞組端電壓幅值，從而控制定子繞組電流的大小。
步驟7.控制變直流電壓三相逆變電路U03的逆變輸出電壓，從而控制定子繞組端電壓幅值的大小。
發電機恆速控制方法包括以下步驟：
步驟1，在永磁同步電機內安裝編碼檢測器，實時檢測編碼器的位置，也就是轉子旋轉的角度。
步驟2.在永磁同步電機投入運行前，對編碼器和三相定子電流的相位關係進行映射性地標定，此時轉子旋轉的位置就是定子等效磁極旋轉的位置，從而確定定子電流相位與定子等效磁極位置的關係。
步驟3.通過電流相位確定定子等效磁極的位置，即通過標定，測量定子電流的相位來確定定子等效磁場的空間旋轉角度。
步驟4.確定定子繞組電流的勵磁分量。
步驟5.控制變直流電壓三相逆變電路U03輸出的等效電壓的大小，從而控制定子繞組電流勵磁分量大小。
(2)永磁同步電動機跟隨電壓控制方法：
包括四種不同運行方式：
第一種電壓調節方法：
步驟1.V14、V18、V22一直給開通控制信號，V16、V20、V24一直給關斷控制信號。
步驟2.V13和V15呈互補性控制，即給V13開通信號時給V15關斷信號，給V13關斷信號時給V15開通信號。
步驟3.V17和V19呈互補性控制，即給V17開通信號時給V19關斷信號，給V17關斷信號時給V19開通信號。
步驟4.V21和V23呈互補性控制，即給V21開通信號時給V23關斷信號，給V21關斷信號時給V23開通信號。
步驟5.這樣構成了第一個兩電平逆變電路，這個逆變電路的直流電壓為U12，即為Ud/4。
第二種電壓調節方法：
步驟1.V15、V19、V23一直給開通控制信號，V13、V17、V21一直給關斷控制信號。
步驟2.V14和V16呈互補性控制，即給V14開通信號時給V16關斷信號，給V14關斷信號時給V16開通信號；
步驟3.V18和V20呈互補性控制，即給V18開通信號時給V20關斷信號，給V18關斷信號時給V20開通信號；
步驟4.V22和V24呈互補性控制，即給V22開通信號時給V24關斷信號，給V22關斷信號時給V24開通信號。
步驟5.這樣構成了第二個兩電平逆變電路，這個逆變電路的直流電壓為U23，即為Ud/2。
第三種電壓調節方法：
步驟1.V13、V14和V15、V16呈互補性控制，即給V13、V14通信號時給V15、V16關斷信號，給V13、V14關斷信號時給V15、V16開通信號
步驟2.V17、V18和V19、V20呈互補性控制，即給V17、V18開通信號時給V19、V20關斷信號，給V17、V18關斷信號時給V19、V20開通信號；
步驟3.V21、V22和V23、V24呈互補性控制，即給V21、V22開通信號時給V23、V24關斷信號，給V21、V22關斷信號時給V23、V24開通信號。
步驟4.這樣構成了第三個兩電平逆變電路，這個逆變電路的直流電壓為U12加U23，即為3Ud/4。
第四種電壓調節方法：
步驟1.U01工作在四象限整流狀態下。
步驟2.調節電壓U12，使電壓U12等於U23的電壓，並且U12與U23的電壓相加為電壓Ud。
步驟3.U03按照三電平逆變方式運行。
本發明的有益效果：
1.實現了永磁同步電機在運行狀態下與電網能量的雙向傳輸，同時保證永磁同步電機既可以在電動機狀態下做恆速運行，也可以在電動機狀態下做恆速運行。
2.可以使直流環節的電壓可變，適配永磁同步電機的轉速；從而保證永磁同步電機無論是在電動機運行狀態，還是在發電機運行狀態，無論是在額定運行速度，還是在低速運行條件下都能做到恆速、穩定、動靜態特性良好的運行。
附圖說明
圖1為本發明的電路結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚、明白，下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的說明，以方便技術人員理解。
V01～V24——全控型電力電子開關；
VD01～VD30——電力二極體；
S——三相交流電源；
T——變壓器；
A、B、C——變壓器三相電源輸入；
A1、B1、C1——變壓器三相輸出；
A2、B2、C2——變壓器三相輸出；
KM01-1——直流接觸器KM01第一對觸點；
KM01-2——直流接觸器KM01第二對觸點；
KM02-1——直流接觸器KM02第一對觸點；
KM02-2——直流接觸器KM02第二對觸點；
R01——限流電阻；
R02——限流電阻；
C01——電容；
C02——電容；
M01——永磁同步電機；
U01——三相四象限整流電路；
U02——三相四象限整流電路；
U03——變直流電壓三相逆變電路；
U1——直流傳輸線一；
U2——直流傳輸線二；
U3——直流傳輸線三。
實施例1
本實施例提供永磁同步電機電動及發電交替運行系統，圖1為根據本發明實施例1的永磁同步電機電動發電交替運行系統的電路結構示意圖，如圖1所示，所述的永磁同步電機電動及發電交替運行系統包括變壓器T、三相全橋四象限整流電路U01、三相全橋四象限整流電路U02、變直流電壓三相逆變電路U03、永磁同步電機；該系統在永磁同步電機做電動機運行時，能量由電網傳輸到電動機上，永磁同步電機做發電機運行時，能量從永磁同步電機輸入到電網，即該系統具有雙向傳輸的能力，直流環節能夠穩定可靠地運行。
所述的三相全橋四象限整流電路U01，包括V01、V02、V03、V04、V05、V06，VD01、VD02、VD03、VD04、VD05、VD06；V01與VD01反向並聯，V02與VD02反向並聯，V03與VD03反向並聯，V04與VD04反向並聯，V05與VD05反向並聯，V06與VD06反向並聯；V01陰極與V02陽極相連，V03陰極與V04陽極相連，V05陰極與V06陽極相連；V01陽極、V03陽極、V05陽極與直流傳輸線U1連接，V02陰極、V04陰極、V06陰極與直流傳輸線U2連接；變壓器副邊中的電壓輸出端A1相與V01陰極相連，電壓輸出端B1相與V03陰極相連，電壓輸出端C1相與V05陰極相連；三相全橋四象限整流電路U01既可以把變壓器T的能量傳輸給直流傳輸線U1和U2，又可以把直流傳輸線U1和U2的能量反向輸送給變壓器T，從而保持直流傳輸線U1和U2間電壓的穩定。
所述的三相全橋四象限整流電路U02，包括V07、V08、V09、V10、V11、V12，VD07、VD08、VD09、VD10、VD11、VD12；V07與VD07反向並聯，V08與VD08反向並聯，V09與VD09反向並聯，V10與VD10反向並聯，V11與VD11反向並聯，V12與VD12反向並聯；V07陰極與V08陽極相連，V09陰極與V10陽極相連，V11陰極與V12陽極相連；V07陽極、V09陽極、V11陽極與直流傳輸線U2連接，V08陰極、V10陰極、V12陰極與直流傳輸線U3連接；變壓器副邊中的電壓輸出端A2相與V07陰極相連，電壓輸出端B2相與V09陰極相連，電壓輸出端C2相與V11陰極相連；三相全橋四象限整流電路U02既可以把變壓器T的能量傳輸給直流傳輸線U2和U3，又可以把直流傳輸線U2和U3的能量反向輸送給變壓器T，從而保持直流傳輸線U2和U3間電壓的穩定。
變直流電壓三相逆變電路U03，包括V13、V14、V15、V16、V17、V18、V19、V20、V21、V22、V23、V24，VD13、VD14、VD15、VD16、VD17、VD18、VD19、VD20、VD21、VD22、VD23、VD24，V13與VD13反向並聯，V14與VD14反向並聯，V15與VD15反向並聯，V16與VD16反向並聯，V17與VD17反向並聯，V18與VD18反向並聯，V19與VD19反向並聯，V20與VD20反向並聯，V21與VD21反向並聯，V22與VD22反向並聯，V23與VD23反向並聯，V24與VD24反向並聯；V13陰極與V14陽極相連，V15陰極與V16陽極相連，V17陰極與V18陽極相連，V19陰極與V20陽極相連，V21陰極與V22陽極相連，V23的陰極與V24的陽極相連。
V14陰極與V15陽極相連，V18陰極與V19陽極相連，V22陰極與V23陽極相連，V13陽極、V17陽極、V21陽極與直流傳輸線U1連接，V16、V20、V24陰極與直流傳輸線U3連接；VD25陰極與V13陰極相連接，VD27陰極與V17陰極相連接，VD29陰極與V21陰極相連接，VD26陽極與V15陰極相連接，VD28陽極與V19陰極相連接，VD30陽極與V23陰極相連接，VD25陽極、VD27陽極、VD29陽極與直流傳輸線U2連接，VD26陰極、VD28陰極、VD30陰極與直流傳輸線U2連接；變直流電壓三相逆變電路U03能夠根據永磁同步電機的轉速改變直流電壓，從而降低輸出轉矩波動。
所述的變壓器T與三相全橋四象限整流電路U01、三相全橋四象限整流電路U02電連接，三相全橋四象限整流電路U01、三相全橋四象限整流電路U02與變直流電壓三相逆變電路U03電連接，變直流電壓三相逆變電路U03與永磁同步電機相連。
其中，所述的變壓器T包括原邊和副邊，變壓器T原邊為三相電源電壓輸入端A相、B相、C相，副邊為兩組，一組為三相電壓輸出端A1相、B1相、C1相，另一組為三相電壓輸出端A2相、B2相、C2相。
所述的變直流電壓三相逆變電路U03的V14陰極、V18陰極、V22陰極分別與永磁同步電機三相輸入端相連。
所述的永磁同步電機電動及發電交替運行系統，還包括直流接觸器、電阻，KM01-1為直流接觸器KM01的觸點，KM02-1為直流接觸器KM02的觸點，KM02-1與電阻R01串聯後，KM02-1、電阻R01再與KM01-1並聯，KM01-1、KM02-1一端與V01陽極、V03陽極、V05陽極相連，KM01-2為直流接觸器KM01的觸點，KM02-2為直流接觸器KM02的觸點，KM02-2與電阻R02串聯後，KM02-2、電阻R02再與KM01-2並聯，KM02-2、KM01-2一端與V07陽極、V09陽極、V11陽極相連。
所述的永磁同步電機電動及發電交替運行系統還包括電容C01、電容C02，電容C01一端與直流傳輸線U1連接，另一端與直流傳輸線U2連接；電容C02一端與直流傳輸線U2連接，另一端與直流傳輸線U3連接。
在系統投入運行時，KM01-1和KM01-2兩個觸頭斷開，KM02-1和KM02-2兩個觸頭閉合，電源通過電阻R01和R02為電容C01和C02充電，限流電阻R01和R02限制電容C01和C02的充電電壓上升速度或過衝；當電容C01和C02電壓達到額定電壓90％時，KM01-1和KM01-2兩個觸頭閉合，KM02-1和KM02-2兩個觸頭斷開，使電源直接為電容C01和C02充電，建立了為變直流電壓三相逆變電路U03逆變所需要的初始直流電壓。
電容C01主要為了穩定直流傳輸線U1和U2間的電壓差，防止衝擊電流引起直流傳輸線U1和U2間的電壓波動；電容C02主要為了穩定直流傳輸線U2和U3間的電壓差，防止衝擊電流引起直流傳輸線U2和U3間的電壓波動。
本發明永磁同步電機電動及發電交替運行系統的控制方法：
設直流傳輸線U3的電壓為參考零電壓，直流傳輸線U2和直流傳輸線U3間的電壓受三相全橋四象限整流電路U02控制，直流傳輸線U1和直流傳輸線U2間的電壓受三相全橋四象限整流電路U01的控制。
三相全橋四象限整流電路U01、U02有兩種工作方式，一種是整流加逆變的工作方式，另一種是四象限整流工作方式。在整流加逆變的工作方式中，整流時，全控型開關不工作，由二極體和相應的連接線構成三相橋式整流電路，把交流整流為直流，能量由電源傳輸到直流環節，再通過直流環節經U03提供給永磁同步電機。
當永磁同步電機做發電機運行時，永磁同步電機把機械能轉化為電能，經過U03傳輸給直流環節，直流環節的電容電壓會升高，需要把直流環節的電能傳輸給電源，U01和U02工作在逆變狀態。
U01、U02如果工作在四象限整流方式，在每一個周期，電源和直流環節都會發生能量的雙向交換，在一個周期內，如果電源向直流環節傳輸的能量多於直流環節向電源傳輸的能量，就處於整流狀態，如果電源向直流環節傳輸的能量少於直流環節向電源傳輸的能量，就處於逆變狀態。
在四象限整流工作方式下，直流傳輸線上的電壓可以進行動態控制。無論是永磁同步電機處於電動機運行方式還是發電機運行方式，U01和U02通過控制能量的方向實現直流傳輸線上電壓的穩定。
記直流傳輸線U2與U3之間的電壓為U23，直流傳輸線U1與U2之間的電壓為U12。在給定負載情況下，電壓U12的最小值由A1、B1、C1三相電壓經過二極體VD01～VD06構成的三相橋式整流電路整流得到，記為U12min，電壓U23的最小值由A2、B2、C2三相電壓經過二極體VD07～VD12構成的三相橋式整流電路整流得到,記為U23min。需要的電壓U12大於U12min，時，由四象限整流電路U01進行調節得到。需要的電壓U23大於U23min時，由四象限整流電路U02進行調節得到。
設永磁同步電機在額定轉速下逆變器所需要的最佳適配總直流電壓為Ud。電壓U12和電壓U23的比值理論上可以是任意值。為了使U03逆變和永磁同步電機運行匹配的方便，選取U01的整流輸出電壓為Ud/4，U01四象限整流控制電壓為Ud/2，選取U02的整流輸出電壓為Ud/2，U02四象限整流控制電壓為0.55Ud，即U23的電壓如果超過U02的整流輸出電壓的110％,則U02四象限整流把能量回送給電網，使電壓U23不繼續升高。
永磁同步電機電動/發電交替運行恆速控制的原理如下：
永磁同步電機的轉子磁極由永磁鐵形成，而定子等效磁極由轉子線圈勵磁形成，定子等效磁極的大小和方向與定子三相電流的相位和大小相關。
永磁同步電機的轉子磁極和定子等效磁極具有相互的作用力，以相互吸引為例，轉子的磁南極與定子的等效磁極的磁北極相互吸引，同時，轉子的磁北極與定子的等效磁極的磁南極相互吸引。當定子的等效磁極旋轉的時候，如果使轉子磁極在切線方向產生足夠的拉力，轉子會旋轉，這種工作方式為電動機狀態，在電動機狀態下，定子等效磁極位置超前轉子磁極位置。如果轉子磁極位置超前定子等效磁極位置，則定子的等效磁極受到轉子的切向拉力，這種工作方式為發電機狀態。
在電動機狀態，隨著轉子的旋轉，始終保持定子等效磁極超前轉子磁極位置旋轉，則保持定子等效磁極與轉子磁極保持同步。如果定子等效磁極等速前進，則轉子也會等速前進，形成同步電機恆速電動機運行模式。
在發電機狀態，轉子磁極超前定子等效磁極，定子等效磁極受到轉子磁極的切向拉力，如果定子等效磁極不動，則轉子磁極和定子等效磁極間的拉力會越來越大，最終轉子會停下來(也可能失步)。如果定子等效磁極向前旋轉，轉子磁極和定子等效磁極間的切向拉力減小，轉子機械力矩大於電磁力矩，向前旋轉。所以，在發電機狀態下，轉子的旋轉速度取決於定子等效磁極的旋轉速度。如果定子的等效磁極勻速旋轉，則轉子也勻速旋轉。
永磁同步電機無論是在電動機狀態還是在發電機狀態，轉子的旋轉速度和定子等效磁極的旋轉速度一致。
保持永磁同步電機定子等效磁極勻速旋轉，則無論在電動機狀態和發電機狀態下如何頻率地交替運行，總能保持永磁同步電機轉子轉速恆定。
保持永磁同步電機定子等效磁極勻速旋轉實質上就是保持定子三相繞組的電流頻率不變。在保持電流頻率不變的同時，電流的幅值需要根據定子磁通的狀態而變化，磁通大於需要值時，減小電流的幅值，磁通小於需要值時，增加電流幅值。在電流幅值增減和電流波形控制過程中，自然包含了能量在永磁同步電機和直流環節相互傳輸的過程，也自然能夠適應永磁同步電機的電動機工作狀態和發電機工作狀態。
實施例2
當永磁同步電機做電動機恆速運行時，由於轉子旋轉速度和定子等效磁極的旋轉速度相等，所以，轉子的旋轉速度由定子等效磁極的旋轉速度確定，而定子等效磁極的旋轉速度由定子三相繞組中電流的頻率確定。隨著負載的變化，定子三相繞組中的電流的幅值也需要跟隨變化，否則，定子三相繞組電流的幅值過小會引起失步，定子三相繞組電流的幅值過大，則會引起勵磁電流過大。
在永磁同步電機做電動機運行時，通過編碼器測量轉子旋轉角度，通過定子電流測量定子等效磁極的旋轉角度。
定子等效磁極的旋轉角度與轉子旋轉角度之差為定子等效磁極與轉子磁極的相位差。
本實施例是實施例1的永磁同步電機電動及發電交替運行作為電動機的恆速控制方法：
步驟1，在永磁同步電機內安裝編碼檢測器，實時檢測編碼器的位置，也就是轉子旋轉的角度。
步驟2.在永磁同步電機投入運行前，對編碼器和三相定子電流的相位關係進行映射性地標定，此時轉子旋轉的位置就是定子等效磁極旋轉的位置，從而確定定子電流相位與定子等效磁極位置的關係。
在永磁同步電機空載情況下，轉子磁極與定子等效磁極的相位差可以忽略不計，認為相等，所以，此時轉子旋轉的位置就是定子等效磁極旋轉的位置。
步驟3.通過電流相位確定定子等效磁極的位置，即通過標定，測量定子電流的相位來確定定子等效磁場的空間旋轉角度。
步驟4.確定定子繞組電流的勵磁分量。
定子等效磁極與轉子磁極的相位差的餘弦函數值再與定子電流幅值相乘就得到定子繞組電流的勵磁分量。
步驟5.控制定子繞組電流的大小，從而控制定子繞組電流勵磁分量大小。
當定子繞組電流勵磁分量大時，減小定子繞組電流，定子等效磁極與轉子磁極的相位差增加，定子繞組電流勵磁分量就會減小；相反，當定子繞組電流勵磁分量小時，增加定子繞組電流，定子等效磁極與轉子磁極的相位差減小，定子繞組電流勵磁分量就會增加。
步驟6.控制定子繞組端電壓幅值，從而控制定子繞組電流的大小。
定子繞組電流的大小由定子繞組端電壓控制，當需要增加定子繞組電流，是通過增加定子繞組端電壓幅值，當需要減小定子繞組電流時，減小定子繞組端電壓幅值。
步驟7.控制變直流電壓三相逆變電路U03的逆變輸出電壓，從而控制定子繞組端電壓幅值的大小。
根據PWM調製方法，變直流電壓三相逆變電路U03輸出三相對稱的交流電壓。
當定子繞組的端電壓的幅值需求大小在Ud/4以下時，按照第一種電壓調節方法進行逆變控制,即三相全橋四象限整流電路U01工作在自然整流狀態，三相全橋四象限整流電路U02工作在空閒狀態。
當定子繞組的端電壓的幅值需求大小在Ud/4和Ud/2之間時，按照第二種電壓調節方法進行逆變控制，三相全橋四象限整流電路U01工作在空閒狀態，三相全橋四象限整流電路U02工作在自然整流狀態。
當定子繞組的端電壓的幅值需求大小在Ud/2和3Ud/4之間時，按照第三種電壓調節方法進行逆變控制，此時三相全橋四象限整流電路U01工作在自然整流狀態，三相全橋四象限整流電路U02也工作在自然整流狀態。
當定子繞組的端電壓的幅值需求大小在3Ud/4和Ud之間時，按照第四種電壓調節方法進行逆變控制，此時三相全橋四象限整流電路U01工作在受控整流狀態，三相全橋四象限整流電路U02工作在自然整流狀態。
實施例3
永磁同步電機作為發電機運行時，能量需要通過變直流電壓三相逆變電路U03傳輸給直流環節。
永磁同步電機運行在發電機狀態，需要定子繞組端電壓的相位超前定子繞組電流的相位，並且相位差大於90°。
本實施例是實施例1的永磁同步電機電動及發電交替運行作為發電機的恆速控制方法：
步驟1，在永磁同步電機內安裝編碼檢測器，實時檢測編碼器的位置，也就是轉子旋轉的角度。
步驟2.在永磁同步電機投入運行前，對編碼器和三相定子電流的相位關係進行映射性地標定，此時轉子旋轉的位置就是定子等效磁極旋轉的位置，從而確定定子電流相位與定子等效磁極位置的關係。
在永磁同步電機空載情況下，轉子磁極與定子等效磁極的相位差可以忽略不計，認為相等，所以，此時轉子旋轉的位置就是定子等效磁極旋轉的位置。
步驟3.通過電流相位確定定子等效磁極的位置，即通過標定，測量定子電流的相位來確定定子等效磁場的空間旋轉角度。
步驟4.確定定子繞組電流的勵磁分量。
定子等效磁極與轉子磁極的相位差的餘弦函數值再與定子電流幅值相乘就得到定子繞組電流的勵磁分量。
步驟5.控制變直流電壓三相逆變電路U03輸出的等效電壓的大小，從而控制定子繞組電流勵磁分量大小。
當定子繞組電流勵磁分量大於參考值時，需要減小定子繞組電流，增加變直流電壓三相逆變電路U03輸出的等效電壓，定子繞組電流減小，定子等效磁極與轉子磁極的相位差增加，定子繞組勵磁電流分量減小。
當定子繞組電流勵磁分量小於參考值時，需要增加定子繞組電流，減小變直流電壓三相逆變電路U03輸出的等效電壓，定子繞組電流增加，定子等效磁極與轉子磁極的相位差減小，定子繞組勵磁電流分量增加。
根據PWM調製方法，變直流電壓三相逆變電路U03輸出三相對稱的交流電壓。
當定子繞組的端電壓的幅值需求大小在Ud/2以下時，按照第一種電壓調節方法進行逆變控制，三相全橋四象限整流電路U01工作在逆變狀態，把直流傳輸線U1和U2的能量傳輸給電網，三相全橋四象限整流電路U02工作在空閒狀態。
當定子繞組的端電壓的幅值需求大小在Ud/2和3Ud/4之間時，按照第二種電壓調節方法進行逆變控制，此時三相全橋四象限整流電路U01工作在空閒狀態，三相全橋四象限整流電路U02工作在逆變狀態，把直流傳輸線U2和U3的能量傳輸給電網。
當定子繞組的端電壓的幅值需求大於3Ud/4時，按照第三種電壓調節方法進行逆變控制，此時三相全橋四象限整流電路U01工作在逆變狀態，把直流傳輸線U1和U2的能量傳輸給電網，三相全橋四象限整流電路U02工作在逆變狀態，把直流傳輸線U2和U3的能量傳輸給電網。
變直流電壓三相逆變電路控制：
在永磁同步電機運行過程中，轉子旋轉速度和定子繞組電壓近似成正比，轉子旋轉速度越快，定子繞組電壓需要越高，轉子旋轉速度越慢，定子繞組電壓需要越低。
在使用逆變電路控制的永磁同步電機中，定子繞組電壓是通過PWM調製波等效實現的。如果保持直流電壓不變，當轉子運行在低速情況下時，定子繞組需要的電壓低，則只有通過減小PWM脈衝的寬度來實現，使定子繞組端電壓中實際諧波分量增加，從而定子繞組電流脈動，使永磁同步電機的動靜態特性變差。
當實現變直流電壓逆變電路後，直流電壓適配轉子的旋轉速度，轉速越高，直流電壓越高，轉速越低，直流電壓越低，從而使逆變後的定子繞組端電壓的諧波分量減小，定子繞組電流波形平滑，永磁同步電機的動靜態特性變優良。變直流電壓三相逆變電路有四種電壓運行方式。
由於永磁同步電機定子電壓與轉子旋轉速度成近似的線性關係，所以，可以把定子繞組額定電壓和轉子額定轉速的比值作為一個常數。轉子實際旋轉速度除以轉子額定旋轉速度所得到的值乘以這個常數，就是定子繞組端電壓需要的近似值。
當永磁同步電機做電動機運行時，如果轉子的旋轉速度在額定轉速的1/4以下，則定子繞組端電壓需要的值在Ud/4以下，變直流電壓三相逆變電路U03工作在第一種運行方式，此時定子繞組的端電壓與反電動勢的差較小，定子繞組電流的變化較小，總體上定子繞組電流的諧波小，定子等效磁極的磁感應強度和轉速的脈動小，轉子機械轉矩波動減小。
如果轉子的旋轉速度在額定轉速的1/4到1/2之間，則定子繞組端電壓需要的值在Ud/4到Ud/2之間，變直流電壓三相逆變電路U03工作在第二種運行方式；轉子機械轉矩波動減小的原因同上。
如果轉子的旋轉速度在額定轉速的1/2到3/4之間，則定子繞組端電壓需要的值在Ud/2到3Ud/4之間，變直流電壓三相逆變電路U03工作在第三種運行方式；轉子機械轉矩波動減小的原因同上。
如果轉子的旋轉速度在額定轉速的3/4到1之間，則定子繞組端電壓需要的值在3Ud/4到Ud之間，變直流電壓三相逆變電路U03工作在第四種運行方式；轉子機械轉矩波動減小的原因同上。
所以，無論是永磁同步電機在電動機還是發電機運行狀態，無論是低速運行還是高速運行，都能夠有合適的直流電壓相適配，減小永磁同步電機的機械轉矩波動。
實施例4.變直流電壓三相逆變電路U03工作在第一種運行方式，實現跟隨電壓調節。
步驟1.V14、V18、V22一直給開通控制信號，V16、V20、V24一直給關斷控制信號。
步驟2.V13和V15呈互補性控制，即給V13開通信號時給V15關斷信號，給V13關斷信號時給V15開通信號。
步驟3.V17和V19呈互補性控制，即給V17開通信號時給V19關斷信號，給V17關斷信號時給V19開通信號。
步驟4.V21和V23呈互補性控制，即給V21開通信號時給V23關斷信號，給V21關斷信號時給V23開通信號。
步驟5.這樣構成了第一個兩電平逆變電路，這個逆變電路的直流電壓為U12，即為Ud/4。
變直流電壓三相逆變電路U03工作的第二種運行方式，實現跟隨電壓調節：
步驟1.V15、V19、V23一直給開通控制信號，V13、V17、V21一直給關斷控制信號。
步驟2.V14和V16呈互補性控制，即給V14開通信號時給V16關斷信號，給V14關斷信號時給V16開通信號；
步驟3.V18和V20呈互補性控制，即給V18開通信號時給V20關斷信號，給V18關斷信號時給V20開通信號；
步驟4.V22和V24呈互補性控制，即給V22開通信號時給V24關斷信號，給V22關斷信號時給V24開通信號。
步驟5.這樣構成了第二個兩電平逆變電路，這個逆變電路的直流電壓為U23，即為Ud/2。
變直流電壓三相逆變電路U03工作的第三種運行方式，實現跟隨電壓調節。
步驟1.V13、V14和V15、V16呈互補性控制，即給V13、V14開通信號時給V15、V16關斷信號，給V13、V14關斷信號時給V15、V16開通信號；
步驟2.V17、V18和V19、V20呈互補性控制，即給V17、V18開通信號時給V19、V20關斷信號，給V17、V18關斷信號時給V19、V20開通信號；
步驟3.V21、V22和V23、V24呈互補性控制，即給V21、V22開通信號時給V23、V24關斷信號，給V21、V22關斷信號時給V23、V24開通信號。
步驟4.這樣構成了第三個兩電平逆變電路，這個逆變電路的直流電壓為U12加U23，即為3Ud/4。
變直流電壓三相逆變電路U03工作的第四種運行方式，實現跟隨電壓調節。
步驟1.U01工作在四象限整流狀態下。
步驟2.調節電壓U12，使電壓U12等於U23的電壓，並且U12與U23的電壓相加為電壓Ud。
步驟3.U03按照三電平逆變方式運行。
本發明的有益效果：
實現了永磁同步電機在運行狀態下與電網的能量雙向傳輸，同時保證永磁同步電機既可以在電動機狀態下做恆速運行，也可以在電動機狀態下做恆速運行；可以使直流環節的電壓可變，適配永磁同步電機的轉速；從而保證永磁同步電機無論是在電動機運行狀態，還是在發電機運行狀態，無論是在額定運行速度，還是在低速運行條件下都能做到恆速、穩定、動靜態特性良好的運行。
最後說明的是，以上所述為本發明的優選實施方式，儘管通過上述優選實施例，已經對本發明進行了詳細的說明，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種改變，而不偏離本發明的權利要求書所要求的範圍。