同步电机的交流变频感应无刷励磁系统

摘要

一种同步电机的交流变频感应无刷励磁系统，包括变频励磁控制器（1）、交流感应励磁机（2）和旋转整流器（3）。变频励磁控制器（1）将供电电源的交流电转换成频率和幅值可调的交流电提供给交流感应励磁机的定子感应绕组（4）；旋转整流器（3）将交流感应励磁机的转子感应绕组（5）的感应交流电压变换成直流向同步电机的励磁绕组（6）供电；从而实现同步电机的无刷励磁及其控制。 与现有技术相比，本发明的交流变频感应无刷励磁系统在任何运行转速条件下都可以输出足够的励磁功率，且通过无刷励磁系统可以实现转子电流、位置、转速的检测和工频同步电动机的起动，可广泛用于同步电机的无刷励磁，尤其是适用于同步电动机的无刷励磁。

说明书

技术领域

本发明涉及同步电机的一种无刷励磁系统。

背景技术

无刷同步电机一般采用交流励磁机提供励磁电源，通过旋转整流器实现主同步电机的无刷励磁。交流励磁机实质是一台电枢旋转的同步发电机，其输出的励磁功率受电机转速限制，功率密度不高，体积较大；且在无刷励磁的控制中，交流励磁机是一个惯性环节，影响了励磁控制的动态性能。采用旋转可控整流器可以提高励磁系统的动态性能，但使得转子电路复杂，可靠性降低。无刷励磁系统除了存在上述问题外，还存在以下问题：第一，变频调速同步电动机，包括具有永磁磁极的混合励磁同步电动机，在任何运行转速都需要励磁，但交流励磁机和谐波励磁输出的励磁功率都随转速的降低而降低，低速时输出的励磁功率明显不足，尤其是转速为零时没有励磁功率输出；第二，工频同步电动机需要解决起动和投励的问题，无刷励磁系统必须在转子上增加起动电阻和可控硅自动投励装置，使得转子电路复杂，可靠性降低，且同步电动机异步起动时电流大，会对电网产生冲击。第三，目前的无刷励磁系统运行时，需要增加转子励磁电流、位置和速度传感器，才能实现变频调速同步电动机无刷励磁的检测和控制以及转子绕组的故障检测和保护。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种交流变频感应无刷励磁系统，可广泛用于同步电机的无刷励磁，尤其是适用于同步电动机的无刷励磁。

本发明的交流变频感应无刷励磁系统由交流感应励磁机、变频励磁控制器和旋转整流器组成。交流感应励磁机的定子铁心和转子铁心的槽内分别安装有定子感应绕组和转子感应绕组；旋转整流器安装在转轴上，将转子感应绕组的感应交流电压变换成直流，向同步电机的励磁绕组供电；变频励磁控制器的供电电源取自外部电源，也可取自具有永磁磁极的同步电机电枢绕组。电机运行时，变频励磁控制器将供电电源的交流电转换成频率和幅值可调的交流电提供给定子感应绕组，实现同步电机的无刷励磁和及其控制。

本发明的交流感应励磁机定子感应绕组采用单相时，转子感应绕组采用多相绕组；定子感应绕组采用多相时，转子感应绕组可以采用多相绕组，也可以采用单相绕组；为了简化绕组和与之相连的逆变器和整流器，多相的交流感应绕组一般为三相绕组。

本发明的变频励磁控制器的主回路包括整流电路和逆变电路，整流电路可以采用单相，也可以采用三相，其输出电压可以是不可控的，也可以是可控的。逆变电路的相数与交流感应励磁机的定子感应绕组相同，一般采用脉宽调制变频逆变电路，可以将逆变电路的输出电压频率固定，仅仅控制逆变电路的输出电压的大小，也可以通过逆变电路调节定子感应绕组电压的大小和频率，都能够使交流感应励磁在任何运行转速条件下输出足够的励磁功率。此外，通过提高定子感应绕组运行的电流频率，不仅可以减小交流感应励磁机的体积，而且可以提高定子与转子感应绕组电流的相关性，从而改善励磁系统的检测与控制性能。

本发明的变频励磁控制器的控制回路具有定子磁链和转子电流观测器。其观测方法是：根据定子感应绕组电压和电流的检测值，通过积分求出定子感应绕组的磁链，然后根据定子的磁链方程，由定子感应绕组磁链和电流得到转子感应绕组电流，再通过滤波器由转子感应绕组电流的幅值求得励磁绕组的电流值。定子磁链和转子电流观测器可用于励磁系统转子电流的故障检测与保护。

当定子感应绕组采用多相绕组时，控制回路可以通过定子磁链和转子电流观测器，对定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，提高励磁控制的动态性能，满足变频调速电动机的励磁电流闭环控制的要求。当定子感应绕组采用多相绕组和转子感应绕组采用单相绕组时，转子感应绕组电流在定子正交坐标的瞬时值是转子转角的正弦和余弦函数。控制回路可以根据转子感应绕组电流与转子位置的关系，检测出转子的位置和转速。转子位置和转速观测器的观测方法有两种：第一种是将转子感应绕组电流在定子正交坐标的两个瞬时值相除，通过反正切函数求得转子位置的转角，再通过微分得到转子的转速；第二种是将转子感应绕组电流在定子正交坐标的瞬时值分别与观测器输出角度的正余弦函数相乘，然后根据两者之差通过闭环处理求得转子位置的转角和转子的转速。

当定子感应绕组和转子感应绕组都采用多相绕组时，励磁系统实质上构成了一台感应电动机变频调速系统，控制回路通过定子磁链和转子电流观测器，对定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，不仅可以控制交流感应励磁机输出的励磁电流，而且可以控制交流感应励磁机输出的电磁转矩，从而同时满足工频同步电动机励磁控制和起动的要求，省去了同步电动机的起动装置和投励装置，且电机起动时电流小，不会对电网产生冲击。变频励磁控制器在工频同步电动机的不同运行阶段采用不同的控制策略。在起动过程中，可以控制交流感应励磁机的电磁转矩保持最大值使同步电动机尽快起动；接近同步转速时，通过控制励磁绕组电流使同步电动机电枢绕组电压接近电网的电压，然后根据电压的相位差，采用准同步投入方法将同步电动机投入运行；投入运行后，则根据电动机运行的负载和功率因数等要求，对同步电动机的励磁电流进行控制。

与现有技术相比，本发明的交流感应无刷励磁系统具有如下特点：

1. 励磁系统具有良好的动态性能，在任何转速条件下，都可以输出足够的励磁功率，满足变频调速同步电动机的无刷励磁的要求；

2. 交流感应励磁机用于无刷励磁时，与现有的交流励磁机相比，功率密度和材料利用率大大提高，体积明显缩小； 

3.  励磁控制器可以实时检测出转子的绕组电流、位置和速度，省去了相应的传感器，提高了励磁系统的控制和故障保护性能；

4. 定子和转子都采用多相感应绕组的交流感应无刷励磁系统，既可以实现同步电动机的无刷励磁及其控制，又可以实现同步电动机的起动及其控制，很好的解决了无刷励磁的工频同步电动机的起动、投励和励磁控制问题。

附图说明

图1.是交流变频感应无刷励磁系统的原理图；

图2.是交流感应励磁机的结构示意图；

图1、2中的标号名称：1、变频励磁控制器；2、交流感应励磁机；3、旋转整流器；4、定子感应绕组；5、转子感应绕组； 6、励磁绕组；7、定子铁心；8、转子铁心；9、转轴；

图3.是单相变频励磁控制器的主回路原理图；

图4.是三相变频励磁控制器的主回路原理图；

图5.是定子感应绕组为单相的磁链和转子电流观测器的原理图；

图6.是定子感应绕组为三相的磁链和转子电流观测器的原理图；

图7.是转子感应绕组为单相的转子位置观测器的原理图；

图8.是定子感应绕组为三相的励磁系统的矢量控制原理图。

具体实施方式        

下面结合附图和具体实施例对本发明的交流变频感应无刷励磁系统作进一步说明：

由图1、2可知，本发明的交流变频感应无刷励磁系统由变频励磁控制器（1）、交流感应励磁机（2）、旋转整流器（3）组成。交流感应励磁机（2）的定子感应绕组（4）组和转子感应绕（5）采用的是三相绕组，分别安装在交流感应励磁机的定子铁心（7）和转子铁心（8）的槽内；变频励磁控制器（1）与定子感应绕组（4）相连，将供电电源的交流的变换成频率和幅值可调的交流电向定子感应绕组（4）供电；旋转整流器（3）安装在转轴（9）上，与转子感应绕组（5）和励磁绕组（6）相连，将转子感应绕组（5）的感应电压整流后向励磁绕组（6）供电；从而实现同步电机的无刷励磁及其控制。

本发明的交流感应励磁机工作原理和设计特点陈述如下：第一，当定子感应绕组采用单相时，逆变电路的输出电压可以在励磁机中产生脉震气隙磁场，使得转子感应绕组的感应电压的幅值随着转子旋转位置发生周期性变化。为了保证旋转整流器有稳定的直流输出，转子绕组只能采用多相绕组。当定子感应绕组采用多相时，逆变电路的输出电压可以在励磁机中产生旋转的气隙磁场，使得转子感应绕组的感应电压幅值与转子旋转的位置无关，因而转子感应绕组可以采用多相绕组，也可以采用单相绕组。第二，因为定子和转子绕组的电压的大小与气隙磁场的大小和转速成正比，所以可以通过调节气隙磁场的大小和转速来控制励磁电流。如果气隙磁场的转速保持不变，则必须将逆变电路的输出电压频率固定，仅仅控制逆变电路的输出电压的大小来控制气隙磁场的大小。如果气隙磁场的大小保持不变，则必须通过逆变电路调节定子感应绕组电压的大小和频率来控制气隙磁场的转速。第三，因为气隙磁场的转速与定子感应绕组电压的频率成正比，与感应绕组的极对数成反比，所以可以通过提高电压的频率和减少极对数来提高励磁机功率密度和材料利用率。例如，如果交流感应励磁机采用的极对数为主同步电机的1/2，定子运行频率为400HZ，其反转的气隙磁场的相对于转子的旋转速度将为电机额定转速的17倍，从而使得励磁机的体积大大缩小。因为脉震气隙磁场可以分解为两个转向相反的旋转磁场，上述两点论述仍然适用于采用单相定子感应绕组的励磁机。第四，虽然可以通过提高气隙磁场的转速来提高励磁机的电磁功率，但是并不能提高励磁机的电磁转矩。为了提高用于同步电机起动的交流感应励磁机电磁转矩，交流感应励磁机的尺寸与现有的交流励磁机相当或适当加大。励磁机定子铁心的外径可以与同步电机相同，轴向长度可以根据所需的起动转矩确定。这样，励磁机的轴向长度将明显小于外径，必须采用较多的极对数，铁心磁密的工作频率仍然较高。第五，本发明的交流感应励磁机实质就是一台电机，其结构与普通电机相同，只是定子和转子运行的磁场频率都较高，所以电磁、机械和散热设计都可以采用现有的电机设计方法。目前中频电机使用的铁磁材料0.35mm硅钢片的铁损频率特性表明，电机铁心磁密的工作频率可为400HZ，其铁损仍然符合电机效率的要求。因此，交流感应励磁机可以采用性能较好的0.35mm硅钢片。

由图3和4可知，变频励磁控制器的主回路包括整流电路和逆变电路。图3给出了单相逆变电路，用于单相定子感应绕组。图4给出了三相脉宽调制逆变电路，用于三相定子感应绕组。图3中采用了单相全控整流桥，图4采用了三相不可控整流电路，但也可以采用半控桥或直流脉宽调压等其它调压电路。变频励磁控制器的控制回路主要包括检测电路、控制电路和驱动电路。检测电路可以检测电机的电枢绕组和定子感应绕组的电压和电流；控制电路可以根据控制指令和检测信号，通过驱动电路对主回路进行控制。

由图5可知，当定子感应绕组为单相时，磁链和转子电流观测器对定子感应绕组的电压和电流进行积分和相关运算，就可以得到在定子感应绕组轴线方向的转子电流矢量的瞬时值i_r。由图6可知，磁链和转子电流观测器将三相定子感应绕组的电压和电流进行坐标变换，然后通过积分和相关运算，就可以得到在定子α、β坐标的定子磁链和转子电流的瞬时值ψ_α、ψ_β、i_rα、i_rβ以及磁链矢量和电流矢量的幅值的和方向角度ψ_s、i_r、θ、γ。由图5可知，同步电机励磁绕组的电流i_f可以由转子绕组电流矢量的幅值i_r通过滤波器求得，检测励磁电流的系数k可以通过实验进行校准，以提高检测精度。当转子感应绕组为单相时，其转子绕组电流矢量的方向角度θ即为转子的位置角度。同步电机的转子位置检测的另一个方法如图7所示：转子位置观测器将转子感应绕组电流在定子正交坐标的瞬时值分别与测角系统输出角度的正余弦相乘，然后对两者之差进行闭环处理，使之迅速为零，输出的角度φ即为转子位置角度，微分后就可以求得同步电机的转速。图中，R_S、L_S、L_r分别为励磁机的定子绕组电阻、自感和与转子绕组的互感。

当逆变电路和定子感应绕组采用多相时，控制回路可以通过磁链和转子电流观测器，对定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，对励磁电流进行控制，提高励磁控制的动态性能。图8给出了定子感应绕组为三相的励磁系统的矢量控制原理图。图中d轴为定子磁链方向，q轴的定子磁链为零，是定子磁链ψ_s的旋转方向，也是转矩电流方向。电磁转矩为d轴定子磁链和q轴转矩电流的乘积，同步电机的励磁电流主要取决于q轴转矩电流。在励磁电流的矢量控制过程中，如果定子磁链ψ_s的大小保持不变，则可以通过调节定子磁链的旋转速度ω来控制励磁电流；如果定子磁链的旋转速度ω保持不变，则可以通过调节定子磁链ψ_s的大小来控制励磁电流。对于工频同步电动机的励磁控制，可以在不同运行阶段采用不同的控制策略。在工频同步电动机起动过程中，励磁控制器可以控制交流感应绕组的定子磁链和转矩电流都保持允许的最大值，使电机获得较大的起动转矩。当工频同步电动机的转速上升至接近同步转速时，通过控制定子磁链的旋转速度ω来调节励磁绕组电流，使同步电动机电枢绕组电压与供电电网的电压接近；通过控制定子磁链ψ_s的大小来控制电磁转矩，使同步电动机的转速维持在同步转速；然后根据电枢绕组电压与供电电网的电压的相位差，按照同步发电机并网的准同步投入方法将同步电动机投入供电电网。当工频同步电动机投入电网后，则根据电动机运行的负载和功率因数等要求，对同步电动机的励磁电流进行控制。