CN105577065A - 无刷双馈电机异步启动方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷双馈电机异步启动方法及装置，所述方法包括：对变频器进行软启动；断开电机的功率绕组电源对功率绕组的供电，并将功率绕组短接；通过控制绕组电流闭环方式控制变频器的输出，进行电机的软启动；当电机转速接近自然同步转速且稳定时，解除功率绕组的短接状态；以控制绕组接入的电源为参照，通过对变频器的控制，调整功率绕组的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与控制绕组接入的电源的电压幅值和相位同步；将功率绕组接入功率绕组电源，使电机异步运行状态进入同步运行状态；控制所述变频器使得电机的转速达到所述自然同步转速，完成启动过程。本发明能大幅降低无刷双馈电机启动时的功率绕组和控制绕组电流。

Description

无刷双馈电机异步启动方法和装置

技术领域

本发明涉及无刷双馈电机领域，特别是涉及一种无刷双馈电机异步启动装置，还涉及一种无刷双馈电机异步启动方法。

背景技术

无刷双馈电机是一种新型电机。无刷双馈电机从级联电机演化而来，通过两套定子绕组(分别为功率绕组和控制绕组)加特殊设计的转子来实现无电刷结构，从而提高电机可靠性。无刷双馈电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。作为电动机运行时，涉及启动问题。无刷双馈电机的启动是指电机从转速为0到转速为电机自然同步速n_N的过程。

传统的无刷双馈电动机启动方式分为同步启动和异步启动。同步启动是无刷双馈电动机两套定子绕组同时加激励源，此时电机表现出同步电机特性。具体是功率绕组加工频电源激励，控制绕组加变频电源激励，控制绕组频率从-50Hz增加到0Hz，相应电机转速就能从0增加到n_N，从而启动电机。同步启动的问题在于需要全功率的变频器，这与无刷双馈电动机能够使用部分容量变频器控制的初衷相违背，所以主流的启动方式是异步启动。

异步启动是指无刷双馈电机两套定子绕组只有一套绕组加激励源，另一套绕组短接。此时电机符合异步电机特性。传统的大功率无刷双馈电动机异步启动采用控制绕组串联频敏电阻或者变电阻的方法，而小功率无刷双馈电动机采取直接在控制绕组上加短接接触器的方法。

传统的无刷双馈电机异步启动方法，电机的电流峰值较大，大电流会对电源产生冲击，同时会在线路和电机内部产生损耗引起发热。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够减小启动时绕组电流的无刷双馈电机异步启动方法。

一种无刷双馈电机异步启动方法，包括：将变频器和电机的控制绕组接入电源，对变频器进行软启动；变频器软启动完成后，断开电机的功率绕组电源对功率绕组的供电，并将功率绕组短接；通过控制绕组电流闭环方式控制变频器的输出，进行电机的软启动；当电机转速接近自然同步转速且稳定时，解除所述功率绕组的短接状态；以控制绕组接入的电源为参照，通过对所述变频器的控制，调整所述功率绕组的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与控制绕组接入的电源的电压幅值和相位同步；待同步后，将所述功率绕组接入功率绕组电源，使电机由一组电源作用的异步运行状态进入两组电源同时作用的同步运行状态；控制所述变频器使得电机的转速达到所述自然同步转速，完成启动过程。

在其中一个实施例中，所述调整所述功率绕组的感应电压幅值和相位，使其逐渐与控制绕组接入的电源的幅值和相位同步的步骤，是采用无刷双馈电机功率绕组磁链定向的矢量控制方法进行控制。

在其中一个实施例中，所述磁链定向的矢量控制方法包括下列步骤：将控制绕组接入的电源和功率绕组感应的三相电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系；求出控制绕组接入的电源的电压和功率绕组的感应电压在所述两相静止坐标系下的电压幅值|u_p|、|u_g|和相位角θ_p、θ_g；将控制绕组的三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括d轴和q轴，得到控制绕组在d轴和q轴上的电流分量i_cd、i_cq；根据电压幅值|u_p|、|u_g|得到控制绕组在d轴上的电流给定值根据控制绕组在d轴上的电流给定值和电流分量i_cd求出控制绕组在d轴上的电压给定值根据相位角θ_p、θ_g得到控制绕组在q轴上的电流给定值根据控制绕组在q轴上的电流给定值和电流分量i_cq求出控制绕组在q轴上的电压给定值根据功率绕组极对数p_p、控制绕组极对数p_c、电机转子位置角θ_r以及相位角θ_p求出控制绕组变换到功率绕组旋转坐标系中的旋转转差角θ_c；根据θ_c求出控制绕组的三相电压u_ca、u_cb、u_cc并输出，控制变频器使其将控制绕组的三相电压调整为u_ca、u_cb、u_cc。

在其中一个实施例中，所述对变频器进行软启动的步骤，包括将软启动电阻串联接入所述变频器与控制绕组接入的电源之间，检测所述变频器的直流母线电压，当检测到所述直流母线电压达到预设电压范围时，将软启动电阻短路，完成变频器软启动的步骤。

在其中一个实施例中，所述控制所述变频器使得电机的转速达到所述自然同步转速的步骤，是控制变频器逐步减小输出频率直到输出的激励为直流激励。

还有必要提供一种无刷双馈电机异步启动装置。

一种无刷双馈电机异步启动装置，包括变频器，还包括第一接触器、第三接触器、软启动电路、功率绕组短接电路以及控制单元；所述变频器接于控制绕组电源输入端和电机的控制绕组之间，所述第一接触器和所述软启动电路串联后接于所述控制绕组电源输入端和变频器之间，所述第三接触器接于电机的功率绕组和电机的功率绕组电源之间，所述功率绕组短接电路接于所述功率绕组和第三接触器之间并可在控制单元的控制下短接所述功率绕组；所述控制单元用于将所述变频器和控制绕组接入电源，对变频器进行软启动，然后断开功率绕组电源对功率绕组的供电，并将功率绕组短接，再通过控制绕组电流闭环方式控制变频器的输出，进行电机的软启动，当检测到电机转速接近自然同步转速且稳定时，解除所述功率绕组的短接状态，以控制绕组接入的电源为参照，通过对所述变频器的控制，调整所述功率绕组的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与控制绕组接入的电源的电压幅值和相位同步，同步之后将所述功率绕组接入功率绕组电源，使电机由一组电源作用的异步运行状态进入两组电源同时作用的同步运行状态，最后控制所述变频器使得电机的转速达到所述自然同步转速，完成启动过程。

在其中一个实施例中，所述功率绕组短接电路包括闭合时将功率绕组的三相短接在一起的第四接触器，所述软启动电路包括软启动电阻和连接软启动电阻两端的第二接触器。

在其中一个实施例中，所述变频器包括全桥不控整流电路、全桥逆变电路、开关器件及母线电容；所述全桥不控整流电路连接所述第一接触器，所述全桥逆变电路连接所述控制绕组，所述母线电容接于全桥不控整流电路和全桥逆变电路之间的母线两端，用于获取直流母线电压，所述开关器件的输入和输出端分别与所述全桥逆变电路的输入端和输出端连接，所述开关器件的控制端与所述控制单元连接，由所述控制单元控制所述开关器件的占空比。

在其中一个实施例中，所述软启动电路和变频器之间还串联接有滤波电感。

在其中一个实施例中，所述控制单元是采用无刷双馈电机功率绕组磁链定向的矢量控制方法进行调整所述功率绕组的感应的电压幅值和相位使其与电源同步。

上述无刷双馈电机异步启动方法和装置，能大幅降低无刷双馈电机启动时的功率绕组和控制绕组电流。

附图说明

图1为一实施例中无刷双馈电机异步启动装置的结构示意图；

图2为一实施例中无刷双馈电机异步启动方法的流程图；

图3是一实施例中无刷双馈电机功率绕组并网控制策略框图；

图4是另一实施例中无刷双馈电机异步启动装置的结构示意图；

图5为一种传统的30kW功率的无刷双馈电机控制绕组直接短接启动时两套定子绕组的电流波形；

图6为30kW功率的无刷双馈电机按本发明的无刷双馈电机异步启动方法启动时的两套定子绕组电流波形；

图7为按本发明的无刷双馈电机异步启动方法进行启动的过程中功率绕组感应电动势与电网电压同步时的电压波形；

图8为电机按本发明的无刷双馈电机异步启动方法进行启动时转子转速波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为一实施例中无刷双馈电机异步启动装置的结构示意图，包括无刷双馈电机10(包括控制绕组12和功率绕组14)、变频器20、第一接触器110、第三接触器140、软启动电路120、功率绕组短接电路130以及控制单元(图1中未示)。变频器20接于控制绕组电源输入端(一般是接市电，也就是作为电网电压输入端)和电机的控制绕组12之间。第一接触器110和软启动电路120串联后接于控制绕组电源输入端和变频器20之间。第三接触器140接于电机的功率绕组14和电机的功率绕组电源(功率绕组电源可以为工频电源，也可以接市电)之间。功率绕组短接电路130接于功率绕组14和第三接触器140之间，并可受控制单元控制短接功率绕组14。

图2为一实施例中无刷双馈电机异步启动方法的流程图，包括下列步骤：

S210，将变频器和电机的控制绕组接入电源，对变频器进行软启动。

在本实施例中，将第一接触器110闭合、第三接触器140断开，功率绕组短接电路130不将功率绕组14短接，通过软启动电路120实现变频器的软启动。

S220，断开电机的功率绕组电源对功率绕组的供电，并将功率绕组短接。

在本实施例中，变频器的软启动完成后，通过功率绕组短接电路130将功率绕组140短接，开始进行电机的启动。

S230，通过控制绕组电流闭环方式控制变频器的输出，进行电机的软启动。

在短接功率绕组14以后，变频器20可以像控制普通异步电机启动那样控制电机10启动。控制变频器20输出，就能达到控制两套定子绕组(控制绕组和功率绕组)电流的目的，实现电机的软启动。在本实施例中，采用控制绕组电流闭环方式来控制无刷双馈电机的启动电流，可以改善电机的启动性能。

S240，当电机转速接近自然同步转速且稳定时，解除功率绕组的短接状态。

当电机转速达到电机的自然同步转速n_N的a％且持续时间达到b毫秒以后，判定其接近自然同步转速且稳定。其中a％为一个接近1的经验值，b同样是一个经验值。在1/3对极的无刷双馈电机的实施例中，自然同步转速n_N为750rpm，转速在740rpm以上维持400毫秒，就认为电机转速接近自然同步转速且稳定。

S250，通过变频器调整功率绕组的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与电源同步。

以控制绕组12接入的电源为参照，通过对变频器20的控制，调整功率绕组14的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与控制绕组12接入的电源(即电网)的电压幅值和相位同步。在本实施例中，是采用无刷双馈电机功率绕组磁链定向的矢量控制方法对变频器20进行控制。

图3是一实施例中无刷双馈电机功率绕组并网控制策略框图。以下对其控制过程进行说明，包括下列步骤：

将电网和功率绕组14感应的三相电压由三相静止坐标系(abc)变换到两相静止坐标系(αβ)。图3中u_pa、u_pb、u_pc，u_ga、u_gb、u_gc，u_ca、u_cb、u_cc分别表示功率绕组14，电网，控制绕组12的三相电压。u_pα、u_pβ和u_gα、u_gβ分别表示功率绕组电压和电网电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系后的电压分量。

求出电网的电压和功率绕组14的感应电压在两相静止坐标系下的电压幅值|u_p|、|u_g|和相位角θ_p、θ_g。其中功率绕组14的感应电压在两相静止坐标系下的相位角θ_p是通过将u_pα和u_pβ输入锁相环(PLL)得到，电网的电压在两相静止坐标系下的相位角θ_g是通过将u_gα和u_gβ输入锁相环得到。

将控制绕组12的三相电流由三相静止坐标系(abc)变换到两相旋转坐标系(dq)，i_ca、i_cb、i_cc和i_cd、i_cq分别表示控制绕组12三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系后的电流分量。

根据电压幅值|u_p|、|u_g|得到控制绕组12在d轴上的电流给定值具体是将|u_p|-|u_g|再输入比例积分调节器(PI)后得到

根据控制绕组12在d轴上的电流给定值和电流分量i_cd求出控制绕组12在d轴上的电压给定值具体是将再输入比例积分调节器后得到

根据相位角θ_p、θ_g得到控制绕组12在q轴上的电流给定值具体是θ_p-θ_g再输入比例积分调节器后得到

根据控制绕组12在q轴上的电流给定值和电流分量i_cq求出控制绕组在q轴上的电压给定值具体是将再输入比例积分调节器后得到

根据功率绕组极对数p_p、控制绕组极对数p_c、电机转子位置角θ_r以及相位角θ_p求出控制绕组12变换到功率绕组14旋转坐标系中的旋转转差角θ_c。θ_c＝θ_p-(p_p+p_c)*θ_r。

根据θ_c求出控制绕组的三相电压u_ca、u_cb、u_cc并输出，控制变频器20使其将控制绕组12的三相电压调整为u_ca、u_cb、u_cc。

采用功率绕组磁链定向矢量控制，在控制绕组主励磁和功率绕组主励磁切换时，控制功率绕组感应电动势的幅值和相位，减小功率绕组并网时的冲击电流，有效降低了功率绕组并网时的电流冲击。图7为电机按上述无刷双馈电机异步启动方法启动过程中功率绕组感应电动势与电网电压同步时的电压波形(横坐标为时间，单位是秒)，通过上述控制策略对功率绕组感应电动势的幅值和相位加以控制，有效降低了功率绕组并网时的电流冲击。

S260，将功率绕组接入电源，使电机由异步运行状态进入同步运行状态。

功率绕组14的感应电压的幅值和相位角与电网电压同步后，闭合第三接触器140，将功率绕组14接入功率绕组电源，使电机10由一组电源作用的异步运行状态进入两组电源同时作用的同步运行状态。

S270，控制变频器使得电机的转速达到自然同步转速，完成启动过程。

在本实施例中，变频器20可输出直流激励，当电机10进入同步运行状态后，控制变频器20逐步减小输出频率，直到输出直流激励，此时电机10就运行在自然同步速n_N，启动过程结束。

图5为一种传统的30kW功率的无刷双馈电机控制绕组直接短接启动时两套定子绕组的电流波形(横坐标为时间，单位是秒)，在电机启动过程中，功率绕组的电流峰值在120A左右，为空载电流的5-6倍，控制绕组的电流峰值在100A左右。如此大的电流会对电源产生冲击，同时会在线路和电机内部产生损耗引起发热。而图6为30kW功率的无刷双馈电机按上述无刷双馈电机异步启动方法启动时的两套定子绕组电流波形，与控制绕组直接短接启动不同，控制绕组电流和功率绕组电流的幅值在电机启动后分别被控制在30A和20A左右，几乎是空载电流的大小水平。

图8为电机按上述无刷双馈电机异步启动方法进行启动时转子转速波形，可以看到整个启动过程转速非常平稳，仅在控制绕组激励和功率绕组激励切换时(步骤S260)有一点波动。

参见图4，在其中一个实施例中，软启动电路120包括软启动电阻R和连接软启动电阻R两端的第二接触器KM2。步骤S210是将第二接触器KM2断开，将软启动电阻R接入电路，然后检测变频器20的直流母线电压Udc，当检测到直流母线电压达到预设电压范围时，闭合第二接触器KM2将软启动电阻R短路，完成变频器20软启动的步骤。该预设电压范围是一个经验值，在其中一个实施例中是超过450V就判定达到预设电压范围。

以上介绍了无刷双馈电机异步启动方法，无刷双馈电机异步启动装置的控制单元的功能即是用于控制整个装置执行上述方法，即控制单元用于将变频器20和控制绕组12接入电源，对变频器20进行软启动，然后断开功率绕组电源对功率绕组14的供电，并将功率绕组14短接，再通过控制绕组电流闭环方式控制变频器20的输出，进行电机10的软启动，当检测到电机转速接近自然同步转速且稳定时，解除功率绕组14的短接状态，以控制绕组12接入的电源为参照，通过对变频器20的控制，调整功率绕组14的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与控制绕组12接入的电源的电压幅值和相位同步，待同步之后将功率绕组14接入功率绕组电源，使电机10由一组电源作用的异步运行状态进入两组电源同时作用的同步运行状态，最后控制变频器20使得电机10的转速达到所述自然同步转速，完成启动过程。

图4是另一实施例中无刷双馈电机异步启动装置的结构示意图，图中省略了控制绕组和功率绕组。在该实施例中，功率绕组短接电路130为闭合时将功率绕组的三相短接在一起的第四接触器KM4，软启动电路120包括软启动电阻R和连接软启动电阻两端的第二接触器KM2。

在图4所示实施例中，变频器20包括全桥不控整流电路VR、全桥逆变电路VI、开关器件VT0及母线电容C。全桥不控整流电路VR连接第一接触器KM1，全桥逆变电路VI连接控制绕组，母线电容C接于全桥不控整流电路VR和全桥逆变电路VI之间的母线两端，用于获取直流母线电压Udc。开关器件VT0串联电阻R0后输入端和输出端分别与全桥逆变电路VI的输入端和输出端连接，开关器件VT0的控制端与控制单元连接，由控制单元控制开关器件VT0的占空比。

在图4所示实施例中，软启动电路120与变频器20之间还串联接有滤波电感L，可以改善变频器20电网侧的电流波形，提高电网侧的功率因数。

上述无刷双馈电机异步启动装置，能大幅降低无刷双馈电机启动时的功率绕组和控制绕组电流，改善启动性能，实现电机的软启动，有效缩减控制设备的成本和体积。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无刷双馈电机异步启动方法，包括：

将变频器和电机的控制绕组接入电源，对变频器进行软启动；

变频器软启动完成后，断开电机的功率绕组电源对功率绕组的供电，并将功率绕组短接；

通过控制绕组电流闭环方式控制变频器的输出，进行电机的软启动；

当电机转速接近自然同步转速且稳定时，解除所述功率绕组的短接状态；

以控制绕组接入的电源为参照，通过对所述变频器的控制，调整所述功率绕组的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与控制绕组接入的电源的电压幅值和相位同步；

待同步后，将所述功率绕组接入功率绕组电源，使电机由一组电源作用的异步运行状态进入两组电源同时作用的同步运行状态；

控制所述变频器使得电机的转速达到所述自然同步转速，完成启动过程。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机异步启动方法，其特征在于，所述调整所述功率绕组的感应电压幅值和相位，使其逐渐与控制绕组接入的电源的幅值和相位同步的步骤，是采用无刷双馈电机功率绕组磁链定向的矢量控制方法进行控制。

3.根据权利要求2所述的无刷双馈电机异步启动方法，其特征在于，所述磁链定向的矢量控制方法包括下列步骤：

将控制绕组接入的电源和功率绕组感应的三相电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系；

求出控制绕组接入的电源的电压和功率绕组的感应电压在所述两相静止坐标系下的电压幅值|u_p|、|u_g|和相位角θ_p、θ_g；

将控制绕组的三相电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，所述两相旋转坐标系包括d轴和q轴，得到控制绕组在d轴和q轴上的电流分量i_cd、i_cq；

根据电压幅值|u_p|、|u_g|得到控制绕组在d轴上的电流给定值

根据控制绕组在d轴上的电流给定值和电流分量i_cd求出控制绕组在d轴上的电压给定值

根据相位角θ_p、θ_g得到控制绕组在q轴上的电流给定值

根据控制绕组在q轴上的电流给定值和电流分量i_cq求出控制绕组在q轴上的电压给定值

根据相位角θ_p、功率绕组极对数p_p、控制绕组极对数p_c以及电机转子位置角θ_r求出控制绕组变换到功率绕组旋转坐标系中的旋转转差角θ_c；

根据θ_c求出控制绕组的三相电压u_ca、u_cb、u_cc并输出，控制变频器使其将控制绕组的三相电压调整为u_ca、u_cb、u_cc。

4.根据权利要求1所述的无刷双馈电机异步启动方法，其特征在于，所述对变频器进行软启动的步骤，包括将软启动电阻串联接入所述变频器与控制绕组接入的电源之间，检测所述变频器的直流母线电压，当检测到所述直流母线电压达到预设电压范围时，将软启动电阻短路，完成变频器软启动的步骤。

5.根据权利要求1所述的无刷双馈电机异步启动方法，其特征在于，所述控制所述变频器使得电机的转速达到所述自然同步转速的步骤，是控制变频器逐步减小输出频率直到输出的激励为直流激励。

6.一种无刷双馈电机异步启动装置，包括变频器，其特征在于，还包括第一接触器、第三接触器、软启动电路、功率绕组短接电路以及控制单元；所述变频器接于控制绕组电源输入端和电机的控制绕组之间，所述第一接触器和所述软启动电路串联后接于所述控制绕组电源输入端和变频器之间，所述第三接触器接于电机的功率绕组和电机的功率绕组电源之间，所述功率绕组短接电路接于所述功率绕组和第三接触器之间并可在控制单元的控制下短接所述功率绕组；

所述控制单元用于将所述变频器和控制绕组接入电源，对变频器进行软启动，然后断开功率绕组电源对功率绕组的供电，并将功率绕组短接，再通过控制绕组电流闭环方式控制变频器的输出，进行电机的软启动，当检测到电机转速接近自然同步转速且稳定时，解除所述功率绕组的短接状态，以控制绕组接入的电源为参照，通过对所述变频器的控制，调整所述功率绕组的感应电压的幅值和相位，使其逐渐与控制绕组接入的电源的电压幅值和相位同步，同步之后将所述功率绕组接入功率绕组电源，使电机由一组电源作用的异步运行状态进入两组电源同时作用的同步运行状态，最后控制所述变频器使得电机的转速达到所述自然同步转速，完成启动过程。

7.根据权利要求6所述的无刷双馈电机异步启动装置，其特征在于，所述功率绕组短接电路包括闭合时将功率绕组的三相短接在一起的第四接触器，所述软启动电路包括软启动电阻和连接软启动电阻两端的第二接触器。

8.根据权利要求6所述的无刷双馈电机异步启动装置，其特征在于，所述变频器包括全桥不控整流电路、全桥逆变电路、开关器件及母线电容；所述全桥不控整流电路连接所述第一接触器，所述全桥逆变电路连接所述控制绕组，所述母线电容接于全桥不控整流电路和全桥逆变电路之间的母线两端，用于获取直流母线电压，所述开关器件的输入和输出端分别与所述全桥逆变电路的输入端和输出端连接，所述开关器件的控制端与所述控制单元连接，由所述控制单元控制所述开关器件的占空比。

9.根据权利要求6所述的无刷双馈电机异步启动装置，其特征在于，所述软启动电路和变频器之间还串联接有滤波电感。

10.根据权利要求6所述的无刷双馈电机异步启动装置，其特征在于，所述控制单元是采用无刷双馈电机功率绕组磁链定向的矢量控制方法进行调整所述功率绕组的感应的电压幅值和相位使其与电源同步。