一種籠型轉子永磁同步電機起動裝置及控制方法
2023-10-06 08:33:19 2
專利名稱：一種籠型轉子永磁同步電機起動裝置及控制方法
技術領域：
本發明屬於電機控制技術領域，尤其是一種籠型轉子永磁同步電機的起動裝置及控制方法。
背景技術：
籠型轉子永磁同步電機是一種轉子上具有鼠籠導體的永磁同步電機，與傳統異步電機和電勵磁同步電機相比，該種電機具有效率高、功率因數高、轉矩密度高等顯著優點，因而在風機、水泵拖動等工業領域極具應用前景。籠型轉子永磁同步電機可以接工頻電網直接起動，但該方式存在如下問題1)起動電流過大，可達電機額定電流的十餘倍，會嚴重影響小容量電網上其它用電設備正常工 作，也會使電機繞組發熱嚴重、加速絕緣老化，影響電機壽命；2 )起動轉矩不可控制，起動時會不可避免地對電機拖動的負載造成較為嚴重的機械衝擊，甚至損壞負載。上述原因導致直接起動方式在很多實際場合不能應用。目前通常採用兩種方法解決上述問題，但是都存在著不足。一種是使用變壓器或應用於異步電機的軟起動器進行降壓起動，但這種方式的起動轉矩會大大降低，起動時間也長，無法滿足拖動較大負載的需求；另一方法是使用通用變頻器驅動電機，但通用變頻器因使用高壓全控型電力電子器件而成本相對較高，尤其隨著電機功率增大變頻器成本會大幅上升，難以為用戶所接收。上述問題嚴重製約著籠型轉子永磁同步電機的推廣和應用。
發明內容
本發明的目的在於克服了現有起動方式的上述缺陷，提供了一種籠型轉子永磁同步電機新型起動裝置及其控制方法。起動裝置應用低壓全控型器件構成電壓逆變橋控制電機運行於低轉速區間，採用可控矽器件構成電流逆變橋控制電機運行於高轉速區間，根據電機運行轉速自動實現切換，同時具備低成本、大負載能力特性。為了實現上述目的，本發明採取了如下技術方案。本發明的一種籠型轉子永磁同步電機起動裝置主要包括可控整流橋I、電流逆變橋2、電壓逆變橋3、籠型轉子永磁同步電機4和開關Kl K8。可控整流橋I的輸入端連接三相交流電的A相，B相，C相。電流逆變橋2的輸入端與可控整流橋I的輸出端相連接，電流逆變橋2的輸出端與籠型轉子永磁同步電機4的輸入端相連接；電壓逆變橋3的輸入端通過開關K4、K5分別與電流逆變橋2的輸入端及可控整流橋I的輸出端相連接，電壓逆變橋3的輸出端通過開關K1、K2、K3與電流逆變橋2的輸出端及籠型轉子永磁同步電機4的輸入端相連接。可控整流橋I包括六個功率開關器件TlA T6A，功率開關器件TlA T6A為可控矽，按照三相整流橋式電路連接；可控整流橋I的輸出端接至直流母線P、直流母線N上。通過控制功率開關器件TlA T6A的觸發角便可控制直流母線P與N間的電壓大小。電流逆變橋2包括六個功率開關器件TlB T6B及電感L ;功率開關器件TlB T6B為可控矽，按照三相逆變橋式電路連接；電感L的一端與直流母線P連接，另一端與TlB T6B構成的三相逆變橋共陽極端連接。TlB T6B工作時，分屬共陽極組和共陰極組的各一個可控矽同時導通120°電角度。通過控制TlB T6B的觸發角便可控制流入籠型轉子永磁同步電機4的電流，進而可以控制籠型轉子永磁同步電機4的輸出轉矩。電壓逆變橋3包括六個全控型功率開關器件TlC T6C及電容C。TlC T6C按照三相逆變橋式電路連接，根據實際情況為MOSFET或IGBT等器件。電容C兩端分別通過開關K4、K5與直流母線P、N連接。通過控制TlC T6C的PWM驅動信號便可控制輸入到籠型轉子永磁同步電機4的電壓，進而可以控制籠型轉子永磁同步電機4的輸出轉矩。三相交流電源的A相、B相、C相通過開關K6 K8與籠型轉子永磁同步電機4的輸入端相連接。起動過程中，K6 K8處於關斷狀態；當電機達到同步轉速後，K6 K8閉合，此時，籠型轉子永磁同步電機4由電網直接供電，起動過程完成。 起動裝置工作時，來自三相交流電源的電能經可控整流橋I後成為電壓可控的直流，分別通過電流逆變橋2和電壓逆變橋3逆變為交流電供給籠型轉子永磁同步電機4以控制其轉矩。電流逆變橋2和電壓逆變橋3分時工作。當電機處於起動過程起始階段的低轉速區時，開關Kl K5處於接通狀態，此時電壓逆變橋3工作；當電機處於起動過程的高轉速區時，開關Kl K5為斷開狀態，此時電流逆變橋2工作，電壓逆變橋3為非工作狀態。由於電壓逆變橋3僅工作在籠型轉子永磁同步電機4的低轉速運行區，此時電機反電動勢很低，使得所需全控型功率器件TlC T6C的耐壓值遠低於電機額定運行時的電壓，因而TlC T6C可選擇低壓器件，其成本相對較低；同時，可控整流橋I和電流逆變橋2中的可控矽器件成本也很低。因此，主要由功率開關器件決定的起動裝置的成本較低。當運行於低轉速區時，如果僅靠電流逆變橋2驅動籠型轉子永磁同步電機4，由於較低的反電動勢不能保證可控矽可靠地自然換流，會造成起動轉矩不足、轉矩波動大等問題。本起動裝置在低轉速運行區以電壓逆變橋3替代電流逆變橋2工作，全控型功率器件TlC T6C工作在PWM狀態，電流轉矩分量可得到實時有效控制，可使籠型轉子永磁同步電機4提供的起動轉矩更大、轉矩波動更小。因此，本起動裝置的負載能力更強。如果籠型轉子永磁同步電機4拖動較輕負載，當電壓逆變橋3發生故障時，可以通過開關Kl K5斷開電壓逆變橋3，依靠電流逆變橋2驅動籠型轉子永磁同步電機4實現由靜止到同步轉速的全部起動過程。因此，本起動裝置具備一定的故障容錯能力，可靠性更聞。本發明所述控制方法的特徵在於在起動過程中，根據電機轉速，應用可控整流橋輸出需求電壓，先後分別通過電壓逆變橋和電流逆變橋驅動籠型轉子永磁同步電機，直至其達到同步轉速，然後併網運行。當電壓逆變橋出現故障時，依靠電流逆變橋完成起動過程。詳細控制方案如下I)起動開始後，首先關斷開關Kl K8，然後分別關斷電流逆變橋2中的TlB T6B、電壓逆變橋3中的TlC T6C和可控整流橋I中的TlA T6A。2)閉合開關Kl K5，使電壓逆變橋3分別與可控整流橋I和籠型轉子永磁同步電機4接通。3)控制可控整流橋I的輸出電壓Upn逐漸升高至約15%額定電壓值。4)判斷電壓逆變橋3是否存在故障，根據判斷結果選擇應用電壓逆變橋3和電流逆變橋2，驅動電機至10%額定轉速。具體說明如下若電壓逆變橋3無故障，則應用電壓逆變橋3以PWM方式驅動籠型轉子永磁同步電機4，此時輸入電機的電能是通過電壓逆變橋3和可控整流橋I來源於三相交流電網，直至電機達到10%額定轉速，然後斷開開關Kl K5，並關斷電壓逆變橋3中的TlC T6C。若電壓逆變橋3存在故障，則斷開開關Kl K5，通過控制可控整流橋I的輸出電壓Upn使電流逆變橋2以強迫換流方式驅動籠型轉子永磁同步電機4，直至電機達到10%額定轉速，此時輸入電機的電能是通過電流逆變橋2和可控整流橋I來源於三相交流電網。5)通過控制可控整流橋I的輸出電壓Upn使電流逆變橋2以自然換流方式驅動籠型轉子永磁同步電機4，直至電機達到額定轉速。6)關斷電流逆變橋2中TlB T6B和可控整流橋I中TlA T6A，同時閉合開關 K6 K8，使電機直接由電網供電，完成起動過程。 本發明具有以下優點I)採用了可控矽和低壓全控型電力電子器件，起動裝置成本較低。2)應用全控型器件構成的電壓逆變橋以PWM方式控制電機運行於低轉速區間，使籠型轉子永磁同步電機具備重載起動能力，並可降低轉矩波動。3)可用電流逆變橋替代故障狀態下的電壓逆變橋完成籠型轉子永磁同步電機輕載起動過程，起動裝置具備一定的故障容錯能力，可靠性更高。
圖I是籠型轉子永磁同步電機的起動裝置結構圖。圖2是籠型轉子永磁同步電機的起動裝置控制方法。
具體實施例方式下面結合圖I、圖2對本發明作進一步說明如圖I所示，本發明主要包括可控整流橋I、電流逆變橋2、電壓逆變橋3、籠型轉子永磁同步電機4和開關Kl K8。可控整流橋I的輸入端連接三相交流電源A、B、C。電流逆變橋2的輸入端與可控整流橋I的輸出端相連接，其輸出端與籠型轉子永磁同步電機4的輸入端相連接。電壓逆變橋3的輸入端通過開關K4、K5與電流逆變橋2的輸入端及可控整流橋I的輸出端相連接，其輸出端通過開關K1、K2、K3與電流逆變橋2的輸出端及籠型轉子永磁同步電機4的輸入端相連接。可控整流橋I包括六個可控矽器件TlA T6A。可控整流橋I的輸出端接至直流母線P、直流母線N上。電流逆變橋2包括六個可控矽器件TlB T6B及電感L。電感L的一端與直流母線P連接，另一端與TlB T6B構成的三相逆變橋共陽極端連接。電壓逆變橋3包括六個低壓全控型功率開關器件TlC T6C及電容C。TlC T6C構成三相逆變橋，根據實際情況可為MOSFET或IGBT等器件。電容C兩端分別通過開關K4、K5與直流母線P、N連接。三相交流電源A、B、C通過開關K6 K8與籠型轉子永磁同步電機4的輸入端相連接。起動過程中，K6 K8處於關斷狀態；當電機達到同步轉速後，K6 K8閉合，此時，籠型轉子永磁同步電機4由電網直接供電。起動裝置工作時，來自三相交流電源的電能經可控整流橋I後成為電壓可控的直流，分別通過電流逆變橋2和電壓逆變橋3逆變為交流電供給籠型轉子永磁同步電機4以控制其轉矩。電流逆變橋2和電壓逆變橋3分時工作。當電機處於起動過程起始階段的低轉速區時，開關Kl K5處於接通狀態，此時電壓逆變橋3工作；當電機處於起動過程的高轉速區時，開關Kl K5為斷開狀態，此時電流逆變橋2工作，電壓逆變橋3為非工作狀態。如果籠型轉子永磁同步電機4拖動較輕負載，當電壓逆變橋3發生故障時，可以通過開關Kl K5斷開電壓逆變橋3，依靠電流逆變橋2驅動籠型轉子永磁同步電機4實現由靜止到同步轉速的全部起動過程。圖2所示為本發明所述的控制方法。在起動過程中，根據電機轉速，應用可控整流橋輸出需求電壓，先後分別通過電壓逆變橋和電流逆變橋驅動籠型轉子永磁同步電機，直 至其達到同步轉速，然後併網運行。當電壓逆變橋出現故障時，依靠電流逆變橋完成起動過程。詳細控制方案如下I)起動開始後，首先關斷開關Kl K8，然後分別關斷電流逆變橋2中的TlB T6B、電壓逆變橋3中的TlC T6C和可控整流橋I中的TlA T6A。2)閉合開關Kl K5，使電壓逆變橋3分別與可控整流橋I和籠型轉子永磁同步電機4接通。3)控制可控整流橋I的輸出電壓Upn逐漸升高至約15%額定電壓值。4)判斷電壓逆變橋3是否存在故障，根據判斷結果選擇應用電壓逆變橋3和電流逆變橋2，驅動電機至10%額定轉速。具體說明如下若電壓逆變橋3無故障，則應用電壓逆變橋3以PWM方式驅動籠型轉子永磁同步電機4，此時輸入電機的電能是通過電壓逆變橋3和可控整流橋I來源於三相交流電網，直至電機達到10%額定轉速，然後斷開開關Kl K5，並關斷電壓逆變橋3中的TlC T6C。若電壓逆變橋3存在故障，則斷開開關Kl K5，通過控制可控整流橋I的輸出電壓Upn使電流逆變橋2以強迫換流方式驅動籠型轉子永磁同步電機4，直至電機達到10%額定轉速，此時輸入電機的電能是通過電流逆變橋2和可控整流橋I來源於三相交流電網。5)通過控制可控整流橋I的輸出電壓Upn使電流逆變橋2以自然換流方式驅動籠型轉子永磁同步電機4，直至電機達到額定轉速。6)關斷電流逆變橋2中TlB T6B和可控整流橋I中TlA T6A，同時閉合開關K6 K8，使電機直接由電網供電，完成起動過程。
權利要求
1.一種籠型轉子永磁同步電機起動裝置，主要包括可控整流橋(I)、電流逆變橋(2)、電壓逆變橋(3)、籠型轉子永磁同步電機(4)和開關Kl K8 ;其特徵在於 可控整流橋(I)的輸入端連接三相交流電的A相，B相，C相。電流逆變橋(2 )的輸入端與可控整流橋(I)的輸出端相連接，電流逆變橋(2)的輸出端與籠型轉子永磁同步電機(4)的輸入端相連接；電壓逆變橋(3)的輸入端通過開關K4、K5分別與電流逆變橋(2)的輸入端及可控整流橋(I)的輸出端相連接，電壓逆變橋(3)的三相輸出端分別通過開關Kl、K2、K3與電流逆變橋(2)的輸出端及籠型轉子永磁同步電機(4)的輸入端相連接； 可控整流橋(I)包括六個功率開關器件TlA T6A，功率開關器件TlA T6A為可控矽，按照三相整流橋式電路連接；可控整流橋(I)的輸出端接至直流母線P、直流母線N上；通過控制功率開關器件TlA T6A的觸發角便可控制直流母線P與N間的電壓大小； 電流逆變橋2包括六個功率開關器件TlB T6B及電感L ;功率開關器件TlB T6B 為可控矽，按照三相逆變橋式電路連接；電感L的一端與直流母線P連接，另一端與TlB T6B構成的三相逆變橋共陽極端連接；T1B T6B工作時，分屬共陽極組和共陰極組的各一個可控娃同時導通120°電角度；通過控制TlB T6B的觸發角便可控制流入籠型轉子永磁同步電機(4)的電流，進而可以控制籠型轉子永磁同步電機4的輸出轉矩； 電壓逆變橋(3)包括六個全控型功率開關器件TlC T6C及電容C ；T1C T6C按照三相逆變橋式電路連接，為MOSFET或IGBT器件；電容C兩端分別通過開關K4、K5與直流母線P、N連接；通過控制全控型功率開關器件TlC T6C的PWM驅動信號便可控制輸入到籠型轉子永磁同步電機(4)的電壓，進而可以控制籠型轉子永磁同步電機4的輸出轉矩； 三相交流電源的A相、B相、C相通過開關K6 K8與籠型轉子永磁同步電機(4)的輸入端相連接；起動過程中，K6 K8處於關斷狀態；當電機達到同步轉速後，K6 K8閉合，此時，籠型轉子永磁同步電機(4 )由電網直接供電，起動過程完成。
2.權利要求I所述的一種籠型轉子永磁同步電機起動裝置的控制方法，其特徵在於在起動過程中，根據電機轉速，應用可控整流橋輸出需求電壓，先後分別通過電壓逆變橋和電流逆變橋驅動籠型轉子永磁同步電機，直至其達到同步轉速，然後併網運行；當電壓逆變橋出現故障時，依靠電流逆變橋完成起動過程。詳細控制方案如下 1)起動開始後，首先關斷開關Kl K8，然後分別關斷電流逆變橋(2)中的TlB T6B、電壓逆變橋(3)中的TlC T6C和可控整流橋(I)中的TlA T6A ； 2)閉合開關Kl K5，使電壓逆變橋(3)分別與可控整流橋(I)和籠型轉子永磁同步電機(4)接通； 3)控制可控整流橋(I)的輸出電壓Upn逐漸升高至約15%額定電壓值； 4)判斷電壓逆變橋(3)是否存在故障，根據判斷結果選擇應用電壓逆變橋(3)和電流逆變橋(2)，驅動電機至10%額定轉速；具體說明如下 若電壓逆變橋(3)無故障，則應用電壓逆變橋(3)以PWM方式驅動籠型轉子永磁同步電機(4)，此時輸入電機的電能是通過電壓逆變橋(3 )和可控整流橋(I)來源於三相交流電網，直至電機達到10%額定轉速，然後斷開開關Kl K5，並關斷電壓逆變橋(3)中的TlC T6C ； 若電壓逆變橋(3)存在故障，則斷開開關Kl K5，通過控制可控整流橋(I)的輸出電壓Upn使電流逆變橋(2)以強迫換流方式驅動籠型轉子永磁同步電機(4)，直至電機達到10%額定轉速，此時輸入電機的電能是通過電流逆變橋(2)和可控整流橋(I)來源於三相交流電網； 5)通過控制可控整流橋(I)的輸出電壓Upn使電流逆變橋(2)以自然換流方式驅動籠型轉子永磁同步電機(4)，直至電機達到額定轉速； 6)關斷電流逆變橋(2)中TlB T6B和可控整流橋(I)中TlA T6A，同時閉合開關K6 K8，使電機直接由電網供電，完成起動過程。
全文摘要
一種籠型轉子永磁同步電機起動裝置及控制方法，屬電機控制領域，其包括可控整流橋(1)、電流逆變橋(2)、電壓逆變橋(3)、籠型轉子永磁同步電機(4)和開關K1～K8；控整流橋(1)的輸入端連接三相交流電的A相，B相，C相。電流逆變橋(2)的輸入端與可控整流橋(1)的輸出端相連接，電流逆變橋(2)的輸出端與籠型轉子永磁同步電機(4)的輸入端相連接；電壓逆變橋(3)的輸入端通過開關K4、K5分別與電流逆變橋(2)的輸入端及可控整流橋(1)的輸出端相連接，電壓逆變橋(3)輸出端分別與電流逆變橋(2)的輸出端及籠型轉子永磁同步電機(4)的輸入端相連接；本發明根據電機運行轉速自動實現切換，具備低成本、大負載能力特性。
文檔編號H02P6/08GK102751925SQ20121022620
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者許家群, 閻寶光 申請人:北京工業大學