同步調速電動機及其控制裝置的製作方法
2023-07-08 17:12:41 1
專利名稱：同步調速電動機及其控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電動機，特別地，涉及一種同步調速電動機及其控制裝置。
背景技術：
電機調速系統的控制分為開環控制和閉環控制，開環控制系統結構簡單實 現方便，但是控制精度不高，抗幹擾能力差。閉環控制可以達到更高的控制精 度，系統的各種擾動對輸出幾乎無影響，而且能夠使調速系統的過渡過程性能 指標改善。目前，對於電機調速的閉環控制的一般通過速度傳感器、測速發電 機等釆集輸出轉速作為反饋量，而控制對象則為定子迴路的電流、電壓、頻率 等。
但是，由於速度傳感器、測速發電機等機械檢測元件的引入， 一方面增加 了系統複雜度，另一方面對檢測元件的測量精度有很高要求，給電機控制系統 的設計增加了難度。而以定子迴路的電壓電流等作為控制對象，如異步電機的 矢量變頻控制，則通常控制電路複雜，成本高昂。
發明內容
本實用新型的目的在於提供一種系統結構簡單，工作穩定的電動機閉環控 制裝置及電動機。
本實用新型首先提出了一種同步調速電動機控制裝置，包括相位比較電路、 中心處理器、脈寬調製電路和變頻調速電路，中心處理器的兩路輸出分別連接
到脈寬調製電路和變頻調速電路的控制輸入埠 ；所述變頻調速電路的輸出端 口連接到電動機定子迴路，所述脈寬調製電路的輸出埠連接到電動機轉子勵 磁迴路；所述相位比較電路的輸入端與電動機定子迴路相耦合，相位比較電路
的輸出端連接到中心處理器。
優選地，所述變頻調速電if各包括整流電路、制動中間電if各和逆變電3各，電 網電壓連接到整流電路的輸入埠，整流電路的輸出埠連接到制動中間電路的輸入埠，制動中間電路的輸出埠連接到逆變電路的輸入埠 ，逆變電路 的輸出埠與定子繞組連接；中間制動電路的控制埠與中心處理器的一路輸 出埠連接。
優選地，所述相位比較電路包括電流互感器、帶通濾波電路和比較電路， 電流互感器耦合到電動機定子迴路，其輸出連接到帶通濾波電路的輸入端，帶 通濾波電路的輸出端連接到比較電路的 一 個輸入端，比較電路的另 一 個輸入端 與變頻調速電路的電壓輸出端相耦合，比較電路的輸出端連接到中心處理器。
本實用新型還提出了一種同步調速電動機，包括定子、轉子和控制裝置， 電動機的定子迴路和轉子迴路相互獨立，控制裝置的兩路輸出分別連接到定子 迴路和轉子勵磁迴路，所述控制裝置包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調 制電路和變頻調速電路，所述中心處理器的兩路輸出分別連接到脈寬調製電路
和變頻調速電路的輸入控制埠 ；所述變頻調速電路的輸出埠連接到電動機 定子迴路，所述脈寬調製電路的輸出埠連接到電動機轉子勵磁迴路；所述相
位比較電路的輸入端與電動機定子迴路相耦合，相位比較電路的輸出端連接到 中心處理器。
優選地，所述變頻調速電路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電 網電壓連接到整流電路的輸入埠 ，整流電路的輸出埠連接到制動中間電路 的輸入埠，制動中間電路的輸出埠連接到逆變電路的輸入埠，逆變電路
的輸出埠與定子繞組連接；中間制動電路的控制埠與中心處理器的一路輸 出埠連才姿。
優選地，所述相位比較電路包括電流互感器、帶通濾波電路和比較電路， 電流互感器耦合到電動機定子迴路，其輸出連接到帶通濾波電路的輸入端，帶 通濾波電路的輸出端連接到比較電路的 一 個輸入端，比較電路的另 一 個輸入端 與變頻調速電路的電壓輸出端相耦合，比較電路的輸出端連接到中心處理器。
優選地，所述電動機的轉子結構包括轉軸304、軸承402、組合滑環406、 鐵芯衝片301、轉子勵磁繞組303、槽木405和絕緣板302;所述鐵芯衝片301 為中心開孔的圓片，鐵芯衝片圓周上開有等間距的凹槽，多個鐵芯衝片疊置成 轉子鐵芯，轉軸304從轉子鐵芯中心的通孔穿過，在轉子鐵芯的兩端分別依次 為軸承402和組合滑環406，轉子勵^磁繞組303從鐵芯沖片上的凹槽中通過，凹 槽中還有槽木和絕緣板。
本實用新型的同步調速電動機及其控制裝置，綜合了變頻調速和同步電機的優點，可以取得以下有益效果結構簡單，無需速度或位置傳感器，系統復
雜度低；電機無轉差，調速精度高；抗過載能力強；過渡過程性能指標優良； 在保持轉速不變情況下，可提高輸出轉矩；成本低廉。與異步變頻調速相比， 電機輸入端功率因數幾乎為一，轉換效率高，且在變頻運行時可實現轉矩恆定； 與永磁同步電機相比，克服了其輸出轉矩不能自行調整，發電運行時汙染電網 和諧波分量增加的缺點，而且鐵磁體不存在退磁的問題。
下面將結合附圖對本實用新型的具體實施方式
加以說明，附圖中
圖1是本實用新型同步調速電動機控制裝置電路方框示意圖2是本實用新型同步調速電動機及控制裝置實施例結構示意圖3是本實用新型同步調速電動機的轉子切片示意圖4是本實用新型同步調速電動機的轉子結構剖視示意圖。
具體實施方式
圖1是本實用新型同步調速電動機控制裝置電路方框示意圖。電動機為鐵 磁同步電動機，定子迴路和轉子勵》茲迴路相互獨立；對應於電動機，控制裝置 也有主迴路和轉子勵磁迴路兩路輸出。主迴路為變頻輸出，轉子勵磁迴路為脈寬 調製輸出。中心處理器的兩路輸出分別連接到脈寬調製電路和變頻調速電路的 控制輸入埠；變頻調速電^各的輸出埠連4妻到電動^幾定子迴路，J永寬調製電 路的輸出埠連接到電動機轉子勵磁迴路；相位比較電路的輸入端與電動才幾定 子迴路相耦合，相位比較電路的輸出端連接到中心處理器。
其中，相位比較電路的作用在於檢測控制裝置給定子迴路的輸出電壓和電 流之間的相位關係，並將比較結果輸送到中心控制器。例如，相位比較電路包 括電流互感器、帶通濾波電路和比較電路，電流互感器耦合到電動機定子迴路， 其輸出連接到帶通濾波電路的輸入端，帶通濾波電路的輸出端連接到比較電路 的一個輸入端，比較電路的另 一個輸入端與變頻調速電路的電壓輸出端相連接， 比較電路的輸出端連接到中心處理器。
比較電路的 一種優選的實施方式是包括電壓比較器和電流比較器，將輸入 比較電路的電壓和電流分別轉換成方波信號，再將電壓方波信號與電流方波信 號進行比較，通過比較結果得出電壓與電流的相位關係。例如，以電壓方波信號的上升沿為基準，得到電流方波信號和電壓方波信號的差值脈衝信號作為相 位比較電路的輸出送入到中心處理器。中心處理器對差值脈衝信號進行分頻以 使其和脈寬調製電路的載波相適應，並將分頻後的信號作為脈寬調製電路的一 組調製信號用來控制脈寬輸出。
圖2是本實用新型同步調速電動機及控制裝置實施例結構示意圖。其中， 變頻調速電路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電網電壓連接到整流 電路的輸入埠 ，整流電路的輸出埠連接到制動中間電路的輸入埠 ，制動 中間電路的輸出埠連接到逆變電路的輸入埠 ，逆變電路的輸出埠與電動
機M定子繞組連接；中間制動電路的控制埠與中心處理器的 一 路輸出埠連接。
電動機通過控制裝置與電源連接，電動機的輸出軸與負載耦合,控制裝置可 以根據負載要求設定所需轉速和轉矩，或不同的轉矩和轉速分段運行。
當電機起動時，定轉子同時上電，控制裝置有兩路輸出， 一路是給轉子的 直流勵磁磁場迴路，另一路是給定子繞組的變頻調速迴路，因為改變轉子磁場 強度或定子電流幅值均可以改變輸出轉矩的大小，所以可在轉速不變的前提下 調整輸出轉矩。
運行中，負載增大或減小時，都會在控制裝置的輸出電流和輸出電壓的相 位上有所反映，定子旋轉磁場與轉子以同的轉速和方向運轉，當轉子磁場軸線 滯後於定子磁場軸線時，控制裝置輸出的電流滯後於輸出電壓，功率因數滯後， 電流互感器檢測到的控制裝置輸出電流的相位信號與輸出電壓相位信號進行比 較，以差值來控制轉子磁場勵磁的脈衝寬度,使轉子磁場增強，促使轉子磁場軸 線前移，達到定轉子磁場軸線重合功率因數近似為一，並鎖定脈寬幅值不變。 當負載突然減小時，轉子磁場前移，電動機處於發電狀態，功率因數超前，脈 寬調製器將減小輸出，使轉子磁場減弱，轉子磁場後移，功率因數回到一。如 果由於負載的因素使電機處於被動地位，比如油井中常見的抽油機不平衡，負 載拉著電機旋轉，電機處於發電機狀態，轉子磁場以減到最小，電機電流反向， 電動4幾狀態電流是從控制裝置流向電動才幾，發電狀態是電流由電才幾流向控制裝 置，控制裝置檢測到這一信號後，將關閉輸出，打開制動迴路，使電機處於發 電制動狀態，此時由於轉子磁場很弱，電機的發電量並不大，當發電電流為零， 控制裝置重新按原來工作狀態輸出，並調整轉子磁場強度，使功率因數回到一。
例如，以一路40-450V, 0.3-10A的可調直流電壓輸出作為轉子磁場的勵磁電源，具體的工作過程是上電時，中心處理器控制脈寬調製電路全壓輸出，
沒有延時，使電機運行10-60秒(可調)，之後進入調製輸出狀態，負載輕時電 機電流超前，輸出脈寬減小，輸出電壓下降至功率因數為1—0.98時並鎖定不變， 脈寬調製輸出最小的約40伏時，如功率因數仍超前，逆變器的輸出電壓高於輸 入電壓，電機處於發電狀態，控制裝置內的制動電路動作使斬波器工作，反饋 的電能經制動電阻能耗制動，當輸出電壓低於輸入電壓時，逆變器重新輸出； 負載增加，電機電流滯後，脈寬增加輸出電壓提高，使功率因數達到0.98-1之 間。
可採用單片機作為中心處理器，每2-3毫秒(ms)對電壓和電流的相位進 行一次檢測和輸出脈寬調製，雖然有一定的時間滯後，但由於電機的慣性作用， 負載引起電流改變到脈寬調製改變輸出電壓的時間極短，約2—3ms,反應迅速， 在額定範圍內不會失步，同時，控制裝置在380V以上調速時，由於脈寬調製輸 出電壓範圍寬，轉子磁場未飽和時，仍可以恆轉矩調速。脈寬調製電路與控制 裝置主迴路同步工作，保護電路動作時，與逆變器同時停止輸出。
圖3是本實用新型同步調速電動機的轉子切片示意圖。圖4是本實用新型 同步調速電動機的轉子結構剖視示意圖。鐵芯衝片301為中心開孔的圓片，鐵 芯衝片圓周上開有等間距的凹槽，多個鐵芯衝片疊置成轉子鐵芯403,轉軸304 從轉子鐵芯中心的通孔穿過，在轉子鐵芯的兩端分別依次為軸承402和組合滑 環406,轉子勵磁繞組303從鐵芯沖片上的凹槽中通過，凹槽中還有槽木405和 絕緣板302。
要說明的是，以上具體實施方式
只是作為本實用新型的優選實施例列舉於 此，並不能以此作為對本實用新型範圍的限定。本領域的一般技術人員在本實 用新型公開的指引下，可以很容易地對本實用新型進行修改和等效替換，這些 修改和替換將會落入本實用新型的保護範圍。因此，本實用新型並不局限於此 處所公開的具體實施例，而是所有落入本實用新型權利要求範圍內的實施例都 屬於本發明的保護範圍。
權利要求1、一種同步調速電動機控制裝置，其特徵在於，包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調製電路和變頻調速電路，所述中心處理器的兩路輸出分別連接到所述脈寬調製電路和所述變頻調速電路的控制輸入埠；所述變頻調速電路的輸出埠連接到電動機定子迴路，所述脈寬調製電路的輸出埠連接到電動機轉子勵磁迴路；所述相位比較電路的輸入端與電動機定子迴路相連接，所述相位比較電路的輸出端連接到所述中心處理器。
2、 根據權利要求1所述的同步調速電動機控制裝置，其特徵在於，所述變 頻調速電路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電網電壓連接到所述整 流電路的輸入埠 ，所述整流電路的輸出埠連接到所述制動中間電路的輸入 埠，所述制動中間電路的輸出埠連接到所述逆變電路的輸入埠 ，所述逆 變電路的輸出埠與定子繞組連接；所述中間制動電路的控制埠與所述中心 處理器的 一 路輸出埠連接。
3、 根據權利要求1所述的同步調速電動機控制裝置，其特徵在於，所述相 位比較電路包括電流互感器、帶通濾波電路和比較電路，所述電流互感器耦合 到電動機定子迴路，其輸出連接到所述帶通濾波電路的輸入端，所述帶通濾波 電路的輸出端連接到所述比較電路的 一個輸入端，所述比較電路的另 一個輸入 端與所述變頻調速電路的電壓輸出端相耦合，所述比較電路的輸出端連接到所 述中心處理器。
4、 一種同步調速電動機，包括定子、轉子和控制裝置，電動機的定子迴路 和轉子迴路相互獨立，所述控制裝置的兩路輸出分別連接到定子迴路和轉子勵 磁迴路，其特徵在於，所述控制裝置包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調 制電路和變頻調速電路，所述中心處理器的兩路輸出分別連接到所述脈寬調製 電路和所述變頻調速電路的輸入控制埠 ；所述變頻調速電路的輸出埠連接 到電動機定子迴路，所述脈寬調製電路的輸出埠連接到電動機轉子勵磁迴路； 所述相位比較電路的輸入端與電動機定子迴路相耦合，所述相位比較電路的輸 出端連接到所述中心處理器。
5、 根據權利要求4所述的同步調速電動機，其特徵在於，所述變頻調速電 路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電網電壓連接到所述整流電路的 輸入埠 ，所述整流電路的輸出埠連接到所述制動中間電路的輸入埠 ，所述制動中間電路的輸出埠連接到所述逆變電路的輸入埠 ，所述逆變電路的 輸出埠與定子繞組連接；所述中間制動電路的控制埠與所述中心處理器的 一路輸出埠連接。
6、 根據權利要求4所述的同步調速電動機，其特徵在於，所述相位比較電路包括電流互感器、帶通濾波電路和比較電路，所述電流互感器耦合到電動機 定子迴路，其輸出連接到帶通濾波電路的輸入端，所述帶通濾波電路的輸出端 連接到所述比較電路的 一 個輸入端，所述比較電路的另 一 個輸入端與所述變頻 調速電路的電壓輸出端相耦合，所述比較電路的輸出端連接到所述中心處理器。
7、 根據權利要求4所述的同步調速電動機，其特徵在於，所述比較電路包括電壓比較器和電流比較器，所述帶通濾波電路的輸出端連接到所述電流比較 電路的輸入端，所述變頻調速電路的電壓輸出端連接到所述電壓比較電路的輸 入端，所述電壓比較器的輸出和所述電流比較器的輸出通過 一 反向求和電路做 差後，將差值脈衝輸出端連接到所述中心處理器。
8、 根據權利要求4或5或6或7所述的同步調速電動機，其特徵在於，所 述電動機的轉子結構包括轉軸、軸承、組合滑環、鐵芯衝片、轉子勵磁繞組、 槽木和絕緣板；所述鐵芯衝片為中心開孔的圓片，所述鐵芯沖片圓周上開有等 間距的凹槽，多個鐵芯衝片疊置成轉子鐵芯，所述轉軸從轉子鐵芯中心的通孔 穿過，在轉子鐵芯的兩端分別依次為所述軸承和所述組合滑環，所述轉子勵磁 繞組從所述鐵芯衝片上的凹槽中通過，凹槽中還有所述槽木和所述絕緣板。
專利摘要本實用新型公開了一種同步調速電動機及其控制裝置。電動機包括定子、轉子和控制裝置，定子迴路和轉子迴路相互獨立，控制裝置的兩路輸出分別連接到定子迴路和轉子勵磁迴路，控制裝置包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調製電路和變頻調速電路，中心處理器的兩路輸出分別連接到脈寬調製電路和變頻調速電路的輸入控制埠；變頻調速電路的輸出埠連接到電動機定子迴路，脈寬調製電路的輸出埠連接到電動機轉子勵磁迴路；相位比較電路的輸入端與電動機定子迴路相耦合，相位比較電路的輸出端連接到中心處理器。本實用新型的同步調速電動機抗過載能力強；電機無轉差，調速精度高；電路結構簡單，系統複雜度低，控制精度高，成本低。
文檔編號H02P27/04GK201138792SQ20072013330
公開日2008年10月22日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者陳德義 申請人:陳德義