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      無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號(hào):11304555閱讀:770來(lái)源:國(guó)知局
      無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)的制造方法與工藝

      本實(shí)用新型涉及交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),特別涉及無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)。



      背景技術(shù):

      現(xiàn)有的交流電機(jī)調(diào)速方式主要有兩類,一類是通過(guò)變頻電源為定子繞組供電調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,該種調(diào)速方式適用于同步電機(jī)(電勵(lì)磁同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、磁阻電機(jī)等)和籠型感應(yīng)電機(jī);另一類是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別由固定工頻電源和變頻電源供電的雙饋調(diào)速方式;第一種調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng),控制靈活,缺點(diǎn)是需要全功率變頻電源,特別是高壓電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成本較高;繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)雙饋調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是所需要的變頻電源功率較小和控制系統(tǒng)成本較低,缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子繞組供電通過(guò)滑環(huán)和電刷,需要定期維護(hù)和運(yùn)行可靠性稍差;為了克服繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)雙饋調(diào)速的上述缺點(diǎn),又出現(xiàn)了將轉(zhuǎn)子控制繞組移到定子上去的一種新的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速方式。

      傳統(tǒng)無(wú)刷雙饋電機(jī)的調(diào)速范圍多采用從低于同步速(亞同步)到高于同步速(超同步)的所謂“雙向調(diào)速”方式,雖然所需變頻器的功率可以小一些,但電機(jī)和變頻器的成本并不比單向調(diào)速小;其原因是:

      ①?gòu)臒o(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理來(lái)看,無(wú)論電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式,在亞同步速運(yùn)行區(qū)電機(jī)的輸出功率都是主繞組(功率繞組)與副繞組(控制繞組)功率之差,電機(jī)的輸出功率較小而主副繞組的功率和損耗不小,導(dǎo)致電機(jī)的效率降低;在超同步運(yùn)行時(shí),電機(jī)的輸出功率為主繞組與副繞組功率之和,繞組得到充分利用,電機(jī)效率較高,因此無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行在超同步調(diào)速范圍比較經(jīng)濟(jì)。

      ②從變頻器和控制技術(shù)來(lái)看,無(wú)刷雙饋電機(jī)亞同步到超同步的“雙向調(diào)速”控制技術(shù)比較復(fù)雜,需要雙向變流的變頻器,成本較高。無(wú)刷雙饋電機(jī)無(wú)論電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式,在亞同步速區(qū)和超同步速區(qū)副繞組(控制繞組)中三相電流的相序和功率流向是相反的,因而從亞同步到超同步的“雙向調(diào)速”需要“雙向變流”的變頻器供電,其硬件和軟件的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)要比僅需要“單向調(diào)速”復(fù)雜得多。

      “雙向調(diào)速”比“單向調(diào)速”所需的變頻器功率可能稍小一些,但其制造成本不會(huì)降低;綜合考慮制造成本、運(yùn)行性能和可靠性,無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步“單向調(diào)速”要比亞同步和超同步“雙向調(diào)速”系統(tǒng)更為優(yōu)越。

      考慮到高壓電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要對(duì)象是風(fēng)機(jī)和泵類流體機(jī)械,其輸出功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比,如果最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之比為0.5,其最低與最高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率比為0.53=0.125,即最低轉(zhuǎn)速時(shí)的功率僅為最高轉(zhuǎn)速時(shí)功率的八分之一,一般驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載電機(jī)不需要這么大的調(diào)速范圍,可以根據(jù)負(fù)載所需要的功率調(diào)節(jié)范圍確定調(diào)速范圍,通過(guò)適當(dāng)選取無(wú)刷雙饋電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,采用超同步“單向調(diào)速”來(lái)實(shí)現(xiàn)。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種以降低調(diào)速系統(tǒng)成本與提高運(yùn)行性能和可靠性且適合于超同步單向調(diào)速運(yùn)行的無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)。

      為達(dá)到上述目的,本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:

      無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng),調(diào)速系統(tǒng)包括供電電源,無(wú)刷雙饋電機(jī)定子,無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子,變壓器、整流器、變頻器、起動(dòng)電阻、驅(qū)動(dòng)單元、控制器、開(kāi)關(guān)K1以及開(kāi)關(guān)K2;定子的鐵心槽中放置了兩套獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組,分別為主繞組和副繞組,主繞組的出線端子A1、B1、C1與供電電源相連接,副繞組的出線端子A2、B2、C2經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)K2、變頻器、整流器、變壓器與供電電源相連接;起動(dòng)電阻設(shè)置在副繞組的出線端子A2、B2、C2與變頻器之間,開(kāi)關(guān)K1用于控制起動(dòng)電阻的開(kāi)關(guān);控制器設(shè)置在主繞組的出線端子A1、B1、C1與變頻器之間,驅(qū)動(dòng)單元設(shè)置在控制器與變頻器之間;電機(jī)起動(dòng)過(guò)程時(shí),開(kāi)關(guān)K1閉合,副繞組串入起動(dòng)電阻,K2斷開(kāi),切斷變頻器與副繞組的連接;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí),K1斷開(kāi)而K2閉合,副繞組切除起動(dòng)電阻而接通變頻器。

      在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述調(diào)速系統(tǒng)還包括電機(jī)定子主繞組電壓電流檢測(cè)單元、電機(jī)定子副繞組電壓電流檢測(cè)單元、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元,電機(jī)定子主繞組電壓電流檢測(cè)單元設(shè)置在主繞組的出線端子A1、B1、C1與控制器之間;電機(jī)定子副繞組電壓電流檢測(cè)單元設(shè)置在副繞組的出線端子A2、B2、C2與控制器之間;電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元與控制器連接,用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。

      在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述主繞組極數(shù)為2p1,副繞組極數(shù)為2p2,主繞組和副繞組的極數(shù)不相等,而且需滿足下述關(guān)系:2p2≥2p1+4。

      在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子為凸極式繞線轉(zhuǎn)子無(wú)滑環(huán)電刷結(jié)構(gòu),其包括具有p1+p2個(gè)凸極的轉(zhuǎn)子鐵心,轉(zhuǎn)子鐵心安裝在轉(zhuǎn)軸上,所述轉(zhuǎn)子鐵心的外緣上均布有p1+p2個(gè)倒梯形槽,凸極與倒梯形槽之間間隔設(shè)置,凸極中心開(kāi)有半開(kāi)口的第一半開(kāi)口槽;凸極第一半開(kāi)口槽的兩側(cè)開(kāi)有以凸極中心線為對(duì)稱軸的至少一對(duì)半開(kāi)口槽,半開(kāi)口槽包括第二半開(kāi)口槽和第三半開(kāi)口槽,在凸極的第一、第二、第三半開(kāi)口槽中相對(duì)應(yīng)的放置了多匝第一、第二、第三短路線圈,多匝短路線圈的兩個(gè)線圈邊分別放置在以倒梯形槽中心線為對(duì)稱軸的相鄰?fù)箻O上的半開(kāi)口槽中。

      在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,所述轉(zhuǎn)子鐵心由導(dǎo)磁電工鋼片疊壓而成。

      在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,每個(gè)凸極的兩側(cè)邊平行,凸極的外沿和倒梯形槽底邊呈圓弧狀,其圓弧中心與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓同圓心。

      在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,第一、第二、第三半開(kāi)口槽的底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑之間均留有一定的距離,第一、第二、第三半開(kāi)口槽的深度隨其與凸極中心線距離的增加而減小。

      在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中,第一、第二、第三短路線圈相互獨(dú)立,在電路上沒(méi)有聯(lián)系;位于凸極第一半開(kāi)口槽中的短路線圈采用雙層結(jié)構(gòu),一個(gè)線圈邊放在第一半開(kāi)口槽的上層,另一線圈邊依次放在相鄰?fù)箻O第一半開(kāi)口槽的下層,第一、第二半開(kāi)口槽中的短路線圈采用單層結(jié)構(gòu),每個(gè)半開(kāi)口槽中僅放置一個(gè)短路線圈邊。

      通過(guò)上述技術(shù)方案,本實(shí)用新型的有益效果是:

      1、由于采用超同步調(diào)速,不需要能量回饋環(huán)節(jié),故所需要的變頻器功率較小和成本較低。

      2、采用超同步調(diào)速,電機(jī)的輸出功率為主繞組與副繞組功率之和,繞組得到充分利用,電機(jī)效率較高。

      3、采用凸極繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī),綜合利用了轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)和磁阻對(duì)于定子磁場(chǎng)的調(diào)制能力,提高了無(wú)刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。

      4、通過(guò)無(wú)刷雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),擴(kuò)大了無(wú)刷雙饋電機(jī)的超同步調(diào)速范圍,實(shí)現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)速(≥1500r/min)的雙饋調(diào)速。

      5、無(wú)刷雙饋電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子采用多匝短路線圈,減小了深槽轉(zhuǎn)子繞組電流集膚效應(yīng)產(chǎn)生的附加損耗,提高了轉(zhuǎn)子繞組的利用率和電機(jī)效率。

      附圖說(shuō)明

      為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹,顯而易見(jiàn)地,下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

      圖1為本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;

      圖2為本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖;

      圖3為本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋凸極繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖;

      1、供電電源 2、無(wú)刷雙饋電機(jī)定子 2a、主繞組 2b、副繞組 3、無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子 4、變壓器 5、整流器 6、變頻器 7、起動(dòng)電阻 8、主繞組電壓電流檢測(cè)單元 9、副繞組電壓電流檢測(cè)單元 10、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元 11、驅(qū)動(dòng)單元 12、控制器 13、轉(zhuǎn)子鐵心 13a、凸極 13b、倒梯形槽 14、第一半開(kāi)口槽 15、第二半開(kāi)口槽 16、第三半開(kāi)口槽 17、第一短路線圈 18、第二短路線圈 19、第三短路線圈 20、轉(zhuǎn)軸;

      圖4為本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速主繞組磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)原理框圖;

      18、坐標(biāo)變換單元 19、磁鏈計(jì)算器 20、轉(zhuǎn)矩計(jì)算器 21、無(wú)功計(jì)算器 22、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 23、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器 24、坐標(biāo)變換器 25、電壓源PWM逆變器驅(qū)動(dòng)電路;

      圖5為本實(shí)用新型主繞組磁場(chǎng)定向下主副繞組電流矢量及主繞組磁鏈的空間相位關(guān)系;

      圖6為本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖;

      19、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器 26、磁鏈計(jì)算器 27、速度調(diào)節(jié)器 28、轉(zhuǎn)矩計(jì)算器 29、磁鏈幅值計(jì)算器 30、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 31、磁鏈調(diào)節(jié)器 32、副繞組電壓矢量選擇器;

      圖7為無(wú)刷雙饋電機(jī)主副繞組磁鏈?zhǔn)噶颗c副繞組電壓矢量的關(guān)系;

      圖8為電壓源逆變器電路原理接線圖;

      圖9為無(wú)刷雙饋電機(jī)副繞組電壓矢量;

      圖10為無(wú)刷雙饋電機(jī)副繞組電壓矢量與電流矢量的關(guān)系。

      具體實(shí)施方式

      為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解,下面結(jié)合具體圖示,進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。

      參見(jiàn)圖1至圖3所示,本實(shí)用新型公開(kāi)了無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng),調(diào)速系統(tǒng)包括供電電源1,無(wú)刷雙饋電機(jī)定子2,無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子3,變壓器4、整流器5、變頻器6、起動(dòng)電阻7、驅(qū)動(dòng)單元11、控制器12、開(kāi)關(guān)K1以及開(kāi)關(guān)K2;定子的鐵心槽中放置了兩套獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組,分別為主繞組2a和副繞組2b,主繞組2a的出線端子A1、B1、C1與供電電源1相連接,副繞組2b的出線端子A2、B2、C2經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)K2、變頻器、整流器、變壓器與供電電源1相連接;起動(dòng)電阻7設(shè)置在副繞組2b的出線端子A2、B2、C2與變頻器6之間,開(kāi)關(guān)K1用于控制起動(dòng)電阻的開(kāi)關(guān);控制器12設(shè)置在主繞組2a的出線端子A1、B1、C1與變頻器6之間,驅(qū)動(dòng)單元11設(shè)置在控制器12與變頻器6之間;變壓器4用于高壓供電電源1降壓,然后經(jīng)過(guò)整流器5將工頻交流電變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)變頻器6向無(wú)刷雙饋電機(jī)定子的副繞組2b提供電壓和頻率可調(diào)的電源;本實(shí)用新型的檢測(cè)單元包括主繞組電壓電流檢測(cè)單元8,副繞組電壓電流檢測(cè)單元9和電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元10,主繞組電壓電流檢測(cè)單元8設(shè)置在主繞組2a的出線端子A1、B1、C1與控制器12之間;副繞組電壓電流檢測(cè)單元9設(shè)置在副繞組2b的出線端子A2、B2、C2與控制器12之間;電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元10與控制器12連接;該三個(gè)檢測(cè)單元在工作時(shí)分別將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)供給控制器12,由控制器12發(fā)出指令經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)單元11控制變頻器6的輸出電壓、頻率、相序和相位;電機(jī)起動(dòng)過(guò)程時(shí),開(kāi)關(guān)K1閉合,副繞組2b串入起動(dòng)電阻7,K2斷開(kāi),切斷變頻器6與副繞組2b的連接;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí),K1斷開(kāi)而K2閉合,副繞組2b切除起動(dòng)電阻7而接通變頻器6。

      本實(shí)用新型主繞組2a極數(shù)為2p1,副繞組2b極數(shù)為2p2,主繞組和副繞組的極數(shù)不相等,而且需滿足下述關(guān)系:2p2≥2p1+4;為了實(shí)現(xiàn)超同步寬范圍的雙饋調(diào)速運(yùn)行,主繞組需要選用少極數(shù)2p1,而副繞組采用多極數(shù)2p2;在雙饋調(diào)速運(yùn)行范圍較小時(shí),主繞組可以采用多極數(shù)2p2,而副繞組采用少極數(shù)2p1。

      本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子為凸極式繞線轉(zhuǎn)子無(wú)滑環(huán)電刷結(jié)構(gòu),其包括具有p1+p2個(gè)凸極13a的轉(zhuǎn)子鐵心13,轉(zhuǎn)子鐵心13由具有良好導(dǎo)磁性能的電工鋼片疊壓而成,轉(zhuǎn)子鐵心13安裝在轉(zhuǎn)軸20上,轉(zhuǎn)子鐵心13的外緣上均布有p1+p2個(gè)倒梯形槽13b,凸極13a與倒梯形槽13b之間間隔設(shè)置,凸極中心開(kāi)有半開(kāi)口的第一半開(kāi)口槽14,每個(gè)凸極13a的兩側(cè)邊平行,凸極13a的外沿和倒梯形槽13b底邊呈圓弧狀,其圓弧中心與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓同圓心。

      本實(shí)用新型凸極第一半開(kāi)口槽14的兩側(cè)開(kāi)有以凸極中心線為對(duì)稱軸的至少一對(duì)半開(kāi)口槽,半開(kāi)口槽包括第二半開(kāi)口槽15和第三半開(kāi)口槽16,凸極上開(kāi)槽的作用,是利用轉(zhuǎn)子磁路的磁阻進(jìn)行導(dǎo)向,使磁通按照最佳路徑通過(guò)轉(zhuǎn)子;在凸極的第一、第二、第三半開(kāi)口槽中相對(duì)應(yīng)的放置了多匝第一短路線圈17、第二短路線圈18、第三短路線圈19,多匝短路線圈的兩個(gè)線圈邊分別放置在以倒梯形槽中心線為對(duì)稱軸的相鄰?fù)箻O上的半開(kāi)口槽中。

      本實(shí)用新型第一、第二、第三半開(kāi)口槽的底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑之間均留有一定的距離,以滿足轉(zhuǎn)子鐵心強(qiáng)度和剛度的要求;第一、第二、第三半開(kāi)口槽的深度隨其與凸極中心線距離的增加而減小,以滿足槽對(duì)于轉(zhuǎn)子磁通的導(dǎo)向要求。

      本實(shí)用新型第一、第二、第三短路線圈相互獨(dú)立,在電路上沒(méi)有聯(lián)系;位于凸極第一半開(kāi)口槽14中的第一短路線圈17采用雙層結(jié)構(gòu),一個(gè)線圈邊放在第一半開(kāi)口槽14的上層,另一線圈邊依次放在相鄰?fù)箻O第一半開(kāi)口槽的下層,第一、第二半開(kāi)口槽中的短路線圈采用單層結(jié)構(gòu),每個(gè)半開(kāi)口槽中僅放置一個(gè)短路線圈邊,在上述半開(kāi)口槽中放置多匝短路線圈的作用,是利用轉(zhuǎn)子短路線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)調(diào)制定子繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng);第二、第三短路線圈可以根據(jù)需要部分放置或者不放置,其特別適用于極數(shù)較多而極寬尺寸較小的轉(zhuǎn)子,可以簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子制造工藝。

      本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng),電機(jī)起動(dòng)時(shí)主繞組2a接通高壓電源1,副繞組2b不接變頻器6而是通過(guò)開(kāi)關(guān)K1串聯(lián)起動(dòng)電阻7,副繞組2b串聯(lián)起動(dòng)電阻7的作用是減小主、副繞組中的起動(dòng)電流和增加電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí),副繞組2b由開(kāi)關(guān)K1切除起動(dòng)電阻7并通過(guò)開(kāi)關(guān)K2接通變頻器6,通過(guò)改變變頻器6的輸出電壓和頻率,控制無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速;由于僅在同步速以上單向調(diào)速,不需要能量回饋環(huán)節(jié),故所需要的變頻器功率較小和成本較低。

      參見(jiàn)圖4所示,本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的一種主繞組磁場(chǎng)定向矢量控制方法的原理如下:

      電機(jī)矢量控制分析一般采用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng),在無(wú)刷雙饋電機(jī)的分析中,d-q參考坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度選擇與主繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步比較方便;將主、副繞組在實(shí)際三相系統(tǒng)中的電壓和磁鏈方程轉(zhuǎn)換到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)后,無(wú)刷雙饋電機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別如式(1)、(2)和(3)所示。

      式(1)、(2)和(3)中主、副繞組的變量分別用下標(biāo)“1”和“2”表示,如uq1和uq2分別表示d-q坐標(biāo)中主繞組和副繞組在q軸方向上的電壓分量;r1、r2、L1、L2分別為主副繞組的電阻和自電感,Lm為主副繞組之間的互電感,p1和p2分別為主副繞組的極對(duì)數(shù),ω1和ω2分別為主副繞組的供電角頻率,p=d/dt為一微分算子。

      選取d-q參考坐標(biāo)d軸方向與主繞組總磁鏈方向一致,則主繞組磁鏈僅有d軸分量ψd1,而q軸分量ψq1=0,在此條件下無(wú)刷雙饋電機(jī)的電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程得以簡(jiǎn)化,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和主繞組側(cè)的無(wú)功功率可分別以(4)和(5)式表示;主繞組是由固定電壓和頻率的三相電源供電,因此主繞組的磁鏈Ψd1基本不變,由式(4)和(5)可以看出,在主繞組磁場(chǎng)定向矢量控制方式下,無(wú)刷雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te和主繞組的無(wú)功功率Q1可以分別由主繞組磁鏈的無(wú)功分量ψd1、副繞組電流的有功分量iq2和主繞組電流的無(wú)功分量id1進(jìn)行解耦控制。

      以下結(jié)合圖5說(shuō)明無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速主繞組磁場(chǎng)定向矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。

      ①主副繞組電流矢量及轉(zhuǎn)子位置角的確定;

      主繞組磁場(chǎng)定向條件下主副繞組電流矢量及主繞組磁鏈的空間相位關(guān)系如圖4所示;根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置傳感器10的檢測(cè)信號(hào),可知轉(zhuǎn)子瞬時(shí)相對(duì)于靜止參考坐標(biāo)d0軸的位置角θr;根據(jù)主繞組電壓電流檢測(cè)單元8的檢測(cè)值,可求得主繞組電流矢量i1及其相對(duì)于坐標(biāo)d0軸的位置角θ1;副繞組電流矢量i2相對(duì)于坐標(biāo)d0軸的位置角θ2可由轉(zhuǎn)子位置角θr和主繞組電流矢量位置角θ1求得,即θ2=θ1r

      ②主繞組磁鏈的確定;

      根據(jù)主副繞組相電流的檢測(cè)值,經(jīng)坐標(biāo)變換單元18可求得主副繞組電流分量id1和id2,然后由磁鏈計(jì)算器19按(2)式求出主繞組磁鏈Ψd1。

      ③計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩;

      電磁轉(zhuǎn)矩Te可根據(jù)主繞組磁鏈Ψd1和副繞組電流分量iq2按(4)式由轉(zhuǎn)矩計(jì)算器20求得。

      ④計(jì)算無(wú)功功率;

      主繞組側(cè)的無(wú)功功率Q1可根據(jù)主繞組磁鏈Ψd1和主繞組電流分量id1按(5)式由無(wú)功計(jì)算器21求得。

      ⑤副繞組電流給定值的確定;

      將轉(zhuǎn)矩給定值T*e與轉(zhuǎn)矩計(jì)算值Te相比較后的差值,通過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器22轉(zhuǎn)變?yōu)楦崩@組電流轉(zhuǎn)矩分量的給定值i*q2;將無(wú)功功率給定值Q1*與計(jì)算值Q1相比較后的差值,通過(guò)無(wú)功功率調(diào)節(jié)器23轉(zhuǎn)變?yōu)楦崩@組電流無(wú)功分量的給定值i*d2

      ⑥副繞組相電流給定及其控制;

      根據(jù)在d-q軸坐標(biāo)系統(tǒng)中副繞組電流給定值i*q2和i*d2以及電流矢量位置角θ2,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換器24可求得副繞組相電流的給定值i*a2、i*b2和i*c2;通過(guò)電流可控的電壓源PWM逆變器驅(qū)動(dòng)電路25,經(jīng)變頻器4按i*a2、i*b2和i*c2控制所要求的副繞組相電流。

      本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的主繞組磁場(chǎng)定向矢量控制,選取d-q-n參考坐標(biāo)d軸的方向與主繞組總磁鏈的方向一致,則主繞組磁鏈僅有d軸分量,而q軸分量為零,在此條件下無(wú)刷雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(電磁功率)和無(wú)功功率可分別由副繞組電流的有功分量和無(wú)功分量進(jìn)行解耦控制;可使無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

      參見(jiàn)圖6和圖7所示,本實(shí)用新型無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的另一種電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法,其工作原理如下:

      利用d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中的無(wú)刷雙饋電機(jī)磁鏈方程(2)解得用磁鏈表

      示的iq2和id2表達(dá)式,然后將其代入式(3),可得用主副繞組磁鏈表示的電

      磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(6):

      顯然(6)式右端可用主副繞組磁鏈?zhǔn)噶喀?sub>1和ψ2的叉積表示,即

      式中p1和p2分別為主副繞組的極對(duì)數(shù);L1、L2和Lm為主、副繞組的自感和互感;|ψ1|和|ψ2|分別為主、副繞組磁鏈?zhǔn)噶康哪?,δ為主、副繞組磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角;由于主繞組用固定幅值和頻率的電源供電,故電壓u1的幅值不變,主繞組電阻壓降相對(duì)于主繞組電壓很小,因此可認(rèn)為主繞組磁鏈幅值基本不變;由(7)式可以看出:如果能使副繞組磁鏈的幅值不變,則可通過(guò)控制主副繞組磁鏈的夾角δ來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,因此可將δ稱為轉(zhuǎn)矩角;只要按照一定規(guī)律調(diào)整副繞組磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩角,就能得到所要求的轉(zhuǎn)矩;無(wú)刷雙饋電機(jī)的副繞組通常由電壓源逆變器供電,其簡(jiǎn)化接線方式如圖7所示,其中電力電子開(kāi)關(guān)器件用理想開(kāi)關(guān)Sa,Sb,Sc代表。定義Sa=1表示A相繞組接通電源Udc,未接通電源Sa=0;Sb和Sc類似定義;副繞組相電壓瞬時(shí)值可表示為:

      副繞組磁鏈與電壓的關(guān)系為:

      ψ2=∫(u2-r2i2)dt (9)

      如忽略副繞組電阻壓降的影響,并將(9)式進(jìn)行離散化處理,則副繞組磁鏈?zhǔn)噶靠杀硎緸椋?/p>

      ψ2=u2Δt+ψ20 (10)

      式(10)中ψ2和u2分別為t時(shí)刻的副繞組磁鏈和電壓矢量,ψ20為t0時(shí)刻副繞組磁鏈,Δt=t–t0;上述矢量之間的關(guān)系如圖8所示,可以看出,通過(guò)適當(dāng)選取副繞組電壓矢量以及時(shí)間間隔Δt,便可控制副繞組磁鏈的幅值以及副繞組磁鏈?zhǔn)噶颗c主繞組磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角δ,即控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。副繞組電壓矢量的選取是通過(guò)Sa,Sb,Sc三個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,可有8種不同的配置模式,即產(chǎn)生8種電壓矢量:u2(0,0,0),u2(0,0,1),u2(0,1,0),u2(0,1,1),u2(1,0,0),u2(1,0,1),u2(1,1,0),u2(1,1,1);其中,u2(1,1,1)和u2(0,0,0)分別代表三相同時(shí)接到正電源和負(fù)電源,此時(shí)副繞組的相電壓為零,故實(shí)際上的非零電壓矢量只有六種,其空間矢量關(guān)系如圖9所示,其中兩個(gè)零矢量電壓為坐標(biāo)原點(diǎn)。副繞組電壓矢量選取需要知道副繞組的功率流向,在超同步速電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式下副繞組吸收有功功率,副繞組電壓和電流矢量的夾角小于90°,而亞同步速時(shí)副繞組輸出有功功率,副繞組電壓和電流矢量的夾角大于90°,因此可以根據(jù)電壓電流矢量夾角的關(guān)系選取副繞組電壓矢量;附圖10為副繞組磁鏈、電壓和電流矢量的空間關(guān)系示意圖,在超同步速運(yùn)行時(shí),要使副繞組電壓與電流矢量間的夾角小于90°,對(duì)于圖10中副繞組電流矢量i2的位置角,應(yīng)選取u2(0,0,1),u2(0,1,1),u2(0,1,0)中的一個(gè)電壓矢量。

      以下結(jié)合圖6說(shuō)明無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制策略的實(shí)現(xiàn)方法。

      ①電機(jī)速度給定值n*與速度反饋值n相比較得到的速度差值經(jīng)速度調(diào)節(jié)器27后形成轉(zhuǎn)矩的給定值

      ②轉(zhuǎn)矩實(shí)際值Te可用主副繞組電壓電流測(cè)量值經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器19、磁鏈計(jì)算器26和轉(zhuǎn)矩計(jì)算器28求得;

      ③轉(zhuǎn)矩給定值與實(shí)際值Te相比較后經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器30送給副繞組電壓矢量選擇器32;

      ④副繞組磁鏈幅值│ψ2│可根據(jù)副繞組電壓電流測(cè)量值經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器19、磁鏈幅值計(jì)算器29求得,與磁鏈幅值給定值│ψ*2│相比較后通過(guò)磁鏈調(diào)節(jié)器31送至副繞組電壓矢量選擇器32;

      ⑤副繞組電流矢量角θ2可根據(jù)副繞組電壓電流測(cè)量值經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器19、電流矢量計(jì)算器26求得,然后送至副繞組電壓矢量選擇器32;

      ⑥副繞組電壓矢量選擇器32可根據(jù)副繞組磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩增減的要求,決定所選用的副繞組電壓矢量。

      本實(shí)用新型所述無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步調(diào)速系統(tǒng)采用的直接轉(zhuǎn)矩控制策略,可通過(guò)適當(dāng)選取副繞組電壓矢量以及時(shí)間間隔,便可控制副繞組磁鏈的幅值及轉(zhuǎn)矩角,即直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩;直接轉(zhuǎn)矩控制解決了磁場(chǎng)定向矢量控制中復(fù)雜計(jì)算與控制特性易受電機(jī)參數(shù)變化影響的問(wèn)題,具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快及魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

      以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解,本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制,上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理,在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下,本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn),這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。

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