專利名稱：同步調(diào)速電動機及其控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電動機，特別地，涉及一種同步調(diào)速電動機及其控制裝置。
背景技術(shù)：
電機調(diào)速系統(tǒng)的控制分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實 現(xiàn)方便，但是控制精度不高，抗干擾能力差。閉環(huán)控制可以達到更高的控制精 度，系統(tǒng)的各種擾動對輸出幾乎無影響，而且能夠使調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能 指標改善。目前，對于電機調(diào)速的閉環(huán)控制的一般通過速度傳感器、測速發(fā)電 機等釆集輸出轉(zhuǎn)速作為反饋量，而控制對象則為定子回路的電流、電壓、頻率 等。
但是，由于速度傳感器、測速發(fā)電機等機械檢測元件的引入， 一方面增加 了系統(tǒng)復雜度，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(tǒng) 的設(shè)計增加了難度。而以定子回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?？刂齐娐窂碗s，成本高昂。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定的電動機閉環(huán)控 制裝置及電動機。
本實用新型首先提出了一種同步調(diào)速電動機控制裝置，包括相位比較電路、 中心處理器、脈寬調(diào)制電路和變頻調(diào)速電路，中心處理器的兩路輸出分別連接
到脈寬調(diào)制電路和變頻調(diào)速電路的控制輸入端口 ；所述變頻調(diào)速電路的輸出端 口連接到電動機定子回路，所述脈寬調(diào)制電路的輸出端口連接到電動機轉(zhuǎn)子勵 磁回路；所述相位比較電路的輸入端與電動機定子回路相耦合，相位比較電路
的輸出端連接到中心處理器。
優(yōu)選地，所述變頻調(diào)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(wǎng)電壓連接到整流電路的輸入端口，整流電路的輸出端口連接到制動中間電路的輸入端口，制動中間電路的輸出端口連接到逆變電路的輸入端口 ，逆變電路 的輸出端口與定子繞組連接；中間制動電路的控制端口與中心處理器的一路輸 出端口連接。
優(yōu)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回路，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(diào)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(diào)速電動機，包括定子、轉(zhuǎn)子和控制裝置， 電動機的定子回路和轉(zhuǎn)子回路相互獨立，控制裝置的兩路輸出分別連接到定子 回路和轉(zhuǎn)子勵磁回路，所述控制裝置包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調(diào) 制電路和變頻調(diào)速電路，所述中心處理器的兩路輸出分別連接到脈寬調(diào)制電路
和變頻調(diào)速電路的輸入控制端口 ；所述變頻調(diào)速電路的輸出端口連接到電動機 定子回路，所述脈寬調(diào)制電路的輸出端口連接到電動機轉(zhuǎn)子勵磁回路；所述相
位比較電路的輸入端與電動機定子回路相耦合，相位比較電路的輸出端連接到 中心處理器。
優(yōu)選地，所述變頻調(diào)速電路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電 網(wǎng)電壓連接到整流電路的輸入端口 ，整流電路的輸出端口連接到制動中間電路 的輸入端口，制動中間電路的輸出端口連接到逆變電路的輸入端口，逆變電路
的輸出端口與定子繞組連接；中間制動電路的控制端口與中心處理器的一路輸 出端口連才姿。
優(yōu)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回路，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(diào)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(yōu)選地，所述電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)軸304、軸承402、組合滑環(huán)406、 鐵芯沖片301、轉(zhuǎn)子勵磁繞組303、槽木405和絕緣板302;所述鐵芯沖片301 為中心開孔的圓片，鐵芯沖片圓周上開有等間距的凹槽，多個鐵芯沖片疊置成 轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)軸304從轉(zhuǎn)子鐵芯中心的通孔穿過，在轉(zhuǎn)子鐵芯的兩端分別依次 為軸承402和組合滑環(huán)406，轉(zhuǎn)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(diào)速電動機及其控制裝置，綜合了變頻調(diào)速和同步電機的優(yōu)點，可以取得以下有益效果結(jié)構(gòu)簡單，無需速度或位置傳感器，系統(tǒng)復
雜度低；電機無轉(zhuǎn)差，調(diào)速精度高；抗過載能力強；過渡過程性能指標優(yōu)良； 在保持轉(zhuǎn)速不變情況下，可提高輸出轉(zhuǎn)矩；成本低廉。與異步變頻調(diào)速相比， 電機輸入端功率因數(shù)幾乎為一，轉(zhuǎn)換效率高，且在變頻運行時可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩恒定； 與永磁同步電機相比，克服了其輸出轉(zhuǎn)矩不能自行調(diào)整，發(fā)電運行時污染電網(wǎng) 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(jié)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(diào)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(diào)速電動機及控制裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖3是本實用新型同步調(diào)速電動機的轉(zhuǎn)子切片示意圖4是本實用新型同步調(diào)速電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖視示意圖。
具體實施方式
圖1是本實用新型同步調(diào)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，定子回路和轉(zhuǎn)子勵》茲回路相互獨立；對應于電動機，控制裝置 也有主回路和轉(zhuǎn)子勵磁回路兩路輸出。主回路為變頻輸出，轉(zhuǎn)子勵磁回路為脈寬 調(diào)制輸出。中心處理器的兩路輸出分別連接到脈寬調(diào)制電路和變頻調(diào)速電路的 控制輸入端口；變頻調(diào)速電^各的輸出端口連4妻到電動^幾定子回路，J永寬調(diào)制電 路的輸出端口連接到電動機轉(zhuǎn)子勵磁回路；相位比較電路的輸入端與電動才幾定 子回路相耦合，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于檢測控制裝置給定子回路的輸出電壓和電 流之間的相位關(guān)系，并將比較結(jié)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回路， 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(diào)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(yōu)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(zhuǎn)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(jié)果得出電壓與電流的相位關(guān)系。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沖信號作為相 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沖信號進行分頻以 使其和脈寬調(diào)制電路的載波相適應，并將分頻后的信號作為脈寬調(diào)制電路的一 組調(diào)制信號用來控制脈寬輸出。
圖2是本實用新型同步調(diào)速電動機及控制裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖。其中， 變頻調(diào)速電路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電網(wǎng)電壓連接到整流 電路的輸入端口 ，整流電路的輸出端口連接到制動中間電路的輸入端口 ，制動 中間電路的輸出端口連接到逆變電路的輸入端口 ，逆變電路的輸出端口與電動
機M定子繞組連接；中間制動電路的控制端口與中心處理器的 一 路輸出端口連接。
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(jù)負載要求設(shè)定所需轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，或不同的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分段運行。
當電機起動時，定轉(zhuǎn)子同時上電，控制裝置有兩路輸出， 一路是給轉(zhuǎn)子的 直流勵磁磁場回路，另一路是給定子繞組的變頻調(diào)速回路，因為改變轉(zhuǎn)子磁場 強度或定子電流幅值均可以改變輸出轉(zhuǎn)矩的大小，所以可在轉(zhuǎn)速不變的前提下 調(diào)整輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子以同的轉(zhuǎn)速和方向運轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)子磁場軸線 滯后于定子磁場軸線時，控制裝置輸出的電流滯后于輸出電壓，功率因數(shù)滯后， 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(zhuǎn)子磁場勵磁的脈沖寬度,使轉(zhuǎn)子磁場增強，促使轉(zhuǎn)子磁場軸 線前移，達到定轉(zhuǎn)子磁場軸線重合功率因數(shù)近似為一，并鎖定脈寬幅值不變。 當負載突然減小時，轉(zhuǎn)子磁場前移，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，功率因數(shù)超前，脈 寬調(diào)制器將減小輸出，使轉(zhuǎn)子磁場減弱，轉(zhuǎn)子磁場后移，功率因數(shù)回到一。如 果由于負載的因素使電機處于被動地位，比如油井中常見的抽油機不平衡，負 載拉著電機旋轉(zhuǎn)，電機處于發(fā)電機狀態(tài)，轉(zhuǎn)子磁場以減到最小，電機電流反向， 電動4幾狀態(tài)電流是從控制裝置流向電動才幾，發(fā)電狀態(tài)是電流由電才幾流向控制裝 置，控制裝置檢測到這一信號后，將關(guān)閉輸出，打開制動回路，使電機處于發(fā) 電制動狀態(tài)，此時由于轉(zhuǎn)子磁場很弱，電機的發(fā)電量并不大，當發(fā)電電流為零， 控制裝置重新按原來工作狀態(tài)輸出，并調(diào)整轉(zhuǎn)子磁場強度，使功率因數(shù)回到一。
例如，以一路40-450V, 0.3-10A的可調(diào)直流電壓輸出作為轉(zhuǎn)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(diào)制電路全壓輸出，
沒有延時，使電機運行10-60秒(可調(diào))，之后進入調(diào)制輸出狀態(tài)，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(shù)為1—0.98時并鎖定不變， 脈寬調(diào)制輸出最小的約40伏時，如功率因數(shù)仍超前，逆變器的輸出電壓高于輸 入電壓，電機處于發(fā)電狀態(tài)，控制裝置內(nèi)的制動電路動作使斬波器工作，反饋 的電能經(jīng)制動電阻能耗制動，當輸出電壓低于輸入電壓時，逆變器重新輸出； 負載增加，電機電流滯后，脈寬增加輸出電壓提高，使功率因數(shù)達到0.98-1之 間。
可采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(diào)制，雖然有一定的時間滯后，但由于電機的慣性作用， 負載引起電流改變到脈寬調(diào)制改變輸出電壓的時間極短，約2—3ms,反應迅速， 在額定范圍內(nèi)不會失步，同時，控制裝置在380V以上調(diào)速時，由于脈寬調(diào)制輸 出電壓范圍寬，轉(zhuǎn)子磁場未飽和時，仍可以恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。脈寬調(diào)制電路與控制 裝置主回路同步工作，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(diào)速電動機的轉(zhuǎn)子切片示意圖。圖4是本實用新型 同步調(diào)速電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖視示意圖。鐵芯沖片301為中心開孔的圓片，鐵 芯沖片圓周上開有等間距的凹槽，多個鐵芯沖片疊置成轉(zhuǎn)子鐵芯403,轉(zhuǎn)軸304 從轉(zhuǎn)子鐵芯中心的通孔穿過，在轉(zhuǎn)子鐵芯的兩端分別依次為軸承402和組合滑 環(huán)406,轉(zhuǎn)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(yōu)選實施例列舉于 此，并不能以此作為對本實用新型范圍的限定。本領(lǐng)域的一般技術(shù)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范圍。因此，本實用新型并不局限于此 處所公開的具體實施例，而是所有落入本實用新型權(quán)利要求范圍內(nèi)的實施例都 屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求1、一種同步調(diào)速電動機控制裝置，其特征在于，包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調(diào)制電路和變頻調(diào)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(diào)制電路和所述變頻調(diào)速電路的控制輸入端口；所述變頻調(diào)速電路的輸出端口連接到電動機定子回路，所述脈寬調(diào)制電路的輸出端口連接到電動機轉(zhuǎn)子勵磁回路；所述相位比較電路的輸入端與電動機定子回路相連接，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(jù)權(quán)利要求1所述的同步調(diào)速電動機控制裝置，其特征在于，所述變 頻調(diào)速電路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電網(wǎng)電壓連接到所述整 流電路的輸入端口 ，所述整流電路的輸出端口連接到所述制動中間電路的輸入 端口，所述制動中間電路的輸出端口連接到所述逆變電路的輸入端口 ，所述逆 變電路的輸出端口與定子繞組連接；所述中間制動電路的控制端口與所述中心 處理器的 一 路輸出端口連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步調(diào)速電動機控制裝置，其特征在于，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 到電動機定子回路，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(diào)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(diào)速電動機，包括定子、轉(zhuǎn)子和控制裝置，電動機的定子回路 和轉(zhuǎn)子回路相互獨立，所述控制裝置的兩路輸出分別連接到定子回路和轉(zhuǎn)子勵 磁回路，其特征在于，所述控制裝置包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調(diào) 制電路和變頻調(diào)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(diào)制 電路和所述變頻調(diào)速電路的輸入控制端口 ；所述變頻調(diào)速電路的輸出端口連接 到電動機定子回路，所述脈寬調(diào)制電路的輸出端口連接到電動機轉(zhuǎn)子勵磁回路； 所述相位比較電路的輸入端與電動機定子回路相耦合，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(jù)權(quán)利要求4所述的同步調(diào)速電動機，其特征在于，所述變頻調(diào)速電 路包括整流電路、制動中間電路和逆變電路，電網(wǎng)電壓連接到所述整流電路的 輸入端口 ，所述整流電路的輸出端口連接到所述制動中間電路的輸入端口 ，所述制動中間電路的輸出端口連接到所述逆變電路的輸入端口 ，所述逆變電路的 輸出端口與定子繞組連接；所述中間制動電路的控制端口與所述中心處理器的 一路輸出端口連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的同步調(diào)速電動機，其特征在于，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 定子回路，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(diào)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(jù)權(quán)利要求4所述的同步調(diào)速電動機，其特征在于，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(diào)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 差后，將差值脈沖輸出端連接到所述中心處理器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4或5或6或7所述的同步調(diào)速電動機，其特征在于，所 述電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)軸、軸承、組合滑環(huán)、鐵芯沖片、轉(zhuǎn)子勵磁繞組、 槽木和絕緣板；所述鐵芯沖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，多個鐵芯沖片疊置成轉(zhuǎn)子鐵芯，所述轉(zhuǎn)軸從轉(zhuǎn)子鐵芯中心的通孔 穿過，在轉(zhuǎn)子鐵芯的兩端分別依次為所述軸承和所述組合滑環(huán)，所述轉(zhuǎn)子勵磁 繞組從所述鐵芯沖片上的凹槽中通過，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(diào)速電動機及其控制裝置。電動機包括定子、轉(zhuǎn)子和控制裝置，定子回路和轉(zhuǎn)子回路相互獨立，控制裝置的兩路輸出分別連接到定子回路和轉(zhuǎn)子勵磁回路，控制裝置包括相位比較電路、中心處理器、脈寬調(diào)制電路和變頻調(diào)速電路，中心處理器的兩路輸出分別連接到脈寬調(diào)制電路和變頻調(diào)速電路的輸入控制端口；變頻調(diào)速電路的輸出端口連接到電動機定子回路，脈寬調(diào)制電路的輸出端口連接到電動機轉(zhuǎn)子勵磁回路；相位比較電路的輸入端與電動機定子回路相耦合，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(diào)速電動機抗過載能力強；電機無轉(zhuǎn)差，調(diào)速精度高；電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)復雜度低，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(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者陳德義 申請人:陳德義