CN110492799B - 同步电机的励磁控制装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步电机的励磁控制装置，包括：驱动模块、同步电机的三相电枢绕组，驱动模块与三相电枢绕组连接，用于起动、维持同步电机正常运转，其特征在于，还包括：控制模块、快速励磁模块；控制模块分别与驱动模块以及快速励磁模块连接，用于对驱动模块以及快速励磁模块进行状态控制；快速励磁模块分别与驱动模块以及三相电枢绕组连接，快速励磁模块用于在同步电机起动时辅助驱动模块对同步电机励磁；快速励磁模块用于在同步电机停机时吸收、存储电路中的剩余电流。本发明用高于同步电机额定电压的电压施加在电机电枢绕组两端，实现对电机三相的顺序励磁，从而缩短同步电机的起动过程，提高了同步电机起动效率。

Description

同步电机的励磁控制装置及使用方法

技术领域

本发明涉及同步电机技术领域，具体涉及一种同步电机的励磁控制装置及使用方法。

背景技术

同步电动机具有功率因素高、运行效率高、稳定性好、转速恒定等优点，主要应用于发电机、多机同步传动***、精密调速稳速***和大型设备等。

同步电机在起动时要经历励磁过程，励磁过程的长短将直接影响到电机的起动性能。现有的做法是常压励磁，通过电源供电励磁，该电源电压和同步电机额定电压相等。使用常压励磁方式，电流无法立即上升到励磁的所需值，所以常压励磁速度慢，导致同步电机起动的效率不够高。

发明内容

本发明提供了一种同步电机的励磁控制装置及使用方法，以解决现有技术中采用常压励磁导致同步电机起动效率不够高的问题。

本发明提供了一种同步电机的励磁控制装置，包括：驱动模块、同步电机的三相电枢绕组，所述驱动模块与所述三相电枢绕组连接，用于起动、维持同步电机正常运转，其特征在于，还包括：控制模块、快速励磁模块；所述控制模块分别与所述驱动模块以及所述快速励磁模块连接，用于对所述驱动模块以及所述快速励磁模块进行状态控制；所述快速励磁模块分别与所述驱动模块以及三相电枢绕组连接，所述快速励磁模块用于在同步电机起动时辅助所述驱动模块对同步电机励磁；所述快速励磁模块用于在同步电机停机时吸收、存储电路中的剩余电流。

可选地，所述快速励磁模块包括：储能单元、状态切换单元；所述储能单元与所述状态切换单元连接，用于存储、释放电流；所述状态切换单元与所述驱动模块连接，基于所述控制模块发出的状态改变信号切换自身状态来改变所述储能单元与所述驱动模块之间的电流流向。

可选地，所述快速励磁模块还包括充能单元；所述充能单元分别与所述储能单元以及所述控制模块连接，基于所述控制模块发出的充能信号对所述储能单元充电。

可选地，所述状态切换单元包括MOS管T7、MOS管T8、MOS管T9和二极管VD2，所述储能单元分别与所述MOS管T7的漏极、MOS管T9的源极连接；所述MOS管T9的漏极与所述二极管VD2的阴极连接；所述MOS管T7的源极以及所述二极管VD2阳极作为接口与所述驱动模块连接；MOS管T8的漏极与所述三相电枢绕组的中心点连接，源极与所述驱动模块中的电源负极连接；所述MOS管T7、MOS管T8、MOS管T9的栅极均连接到所述控制模块。

可选地，所述驱动模块包括：直流电源VDC1、电容C1、MOS管T1、MOS管T2、MOS管T3、MOS管T4、MOS管T5、MOS管T6、二极管VD1；所述充能单元包括：直流电源VDC2、MOS管T10；所述储能单元包括电容C2；所述状态切换单元包括：MOS管T7、MOS管T8、MOS管T9、二极管VD2；所述控制模块包括单片机；

所述直流电源VDC1的正极分别和所述直流电源VDC2的负极、电容C1的正极、电容C2的负极以及二极管VD1的阳极连接，所述直流电源VDC1的负极分别和所述电容C1的负极、MOS管T2的源极、MOS管T4的源极、MOS管T6的源极以及MOS管T8的源极连接，所述直流电源VDC2的正极和所述MOS管T10的漏极连接；所述电容C2的正极分别和所述MOS管T10的源极、MOS管T9的源极以及MOS管T7的漏极连接；所述二极管VD1的阴极分别和所述MOS管T7的源极、MOS管T1的漏极、MOS管T3的漏极、MOS管T5的漏极以及二极管VD2的阳极连接，所述二极管VD2的阴极和所述MOS管T9的漏极连接；所述MOS管T1的源极和所述MOS管T4的漏极连接，MOS管T3的源极和MOS管T6的漏极连接，所述MOS管T5的源极和所述MOS管T2的漏极连接，MOS管T8的漏极和三相电枢绕组的中心点连接；所述MOS管T1的源极和所述三相电枢绕组的A相连接，所述MOS管T3的源极和所述三相电枢绕组的B相连接，所述MOS管T5的源极和所述三相电枢绕组的C相连接；所述MOS管T1至所述MOS管T10的栅极均连接到所述单片机。

可选地，所述二极管VD2为肖特基二极管，所述电容C1为滤波电容，所述电容C2为具有升压功能的电解电容，所述电容C2的容量大于等于

其中，L为三相电枢绕组的电感，W为同步电机额定功率、U₀为同步电机额定电压。

本发明还提供了一种同步电机的励磁控制装置的使用方法，包括：

当同步电机需要励磁起动时，控制模块控制快速励磁模块向驱动模块输出电流，快速励磁模块输出的电流与驱动模块输出的电流结合对同步电机进行励磁；当同步电机电机停机时，控制模块控制快速励磁模块吸收、存储三相电枢绕组中的剩余电流。

可选地，在同步电机需要励磁起动之前，还包括当储能单元储电不足时，控制模块控制充能单元对储能单元进行充电。

可选地，包括如下具体步骤：

步骤一：当电容C2中储电不足时，单片机控制MOS管T10导通2s～3s时间然后断开，单片机控制MOS管T1至MOS管T9一直处于关断状态，利用直流电源VDC2对电容C2充能；

步骤二：当同步电机需要励磁起动时：单片机控制MOS管T1、MOS管T3、MOS管T5导通，单片机控制MOS管T2、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T8、MOS管T9以及MOS管T10一直处于关断状态，同时单片机控制MOS管T7导通1s～2s后关断，将电容C2中能量用于电机励磁中，励磁完成后，电机具备起动条件；

当同步电机停机时：单片机控制MOS管T8、MOS管T9导通，依次控制MOS管T1导通0.3s～0.6s、MOS管T3导通0.3s～0.6s以及MOS管T5导通0.3s～0.6s，单片机控制MOS管T2、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T7和MOS管T10一直处于关断状态，当剩余能量回馈完成时，单片机控制MOS管T8、MOS管T9关断。

本发明的有益效果：

本发明的同步电机的励磁控制装置结构简单，成本低，安全可靠，易于安装。同时，同步电机自身过载性能强，通过本发明提供的励磁控制装置，用高于正常驱动电压施加在电机绕组两端，实现对电机三相的顺序励磁，从而缩短同步电机的起动过程，提高了同步电机起动效率。本发明提供的同步电机的励磁控制装置的使用方法，励磁起动控制过程简易，并且考虑到同步电机停止时对电枢绕组能量的回收，减小能量损失。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明中一种同步电机的励磁控制装置的电路示意图；

图2为本发明中励磁起动时的电流流向示意图；

图3为本发明中A相电枢绕组剩余能量回馈时电流流向示意图；

图4为本发明中B相电枢绕组剩余能量回馈时电流流向示意图；

图5为本发明中C相电枢绕组剩余能量回馈时电流流向示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种同步电机的励磁控制装置，如图1所示，驱动模块包括：直流电源VDC1、电容C1、MOS管T1、MOS管T2、MOS管T3、MOS管T4、MOS管T5、MOS管T6、二极管VD1；充能单元包括：直流电源VDC2、MOS管T10；储能单元包括电容C2；状态切换单元包括：MOS管T7、MOS管T8、MOS管T9、二极管VD2；控制模块包括单片机；

直流电源VDC1的正极分别和直流电源VDC2的负极、电容C1的正极、电容C2的负极以及二极管VD1的阳极连接，直流电源VDC1的负极分别和电容C1的负极、MOS管T2的源极、MOS管T4的源极、MOS管T6的源极以及MOS管T8的源极连接，直流电源VDC2的正极和MOS管T10的漏极连接，直流电源VDC2的负极和电容C2的负极连接；电容C2的正极分别和MOS管T10的源极、MOS管T9的源极以及MOS管T7的漏极连接；二极管VD1的阴极分别和MOS管T7的源极、MOS管T1的漏极、MOS管T3的漏极、MOS管T5的漏极以及二极管VD2的阳极连接，二极管VD2的阴极和MOS管T9的漏极连接；MOS管T1的源极和MOS管T4的漏极连接，MOS管T3的源极和MOS管T6的漏极连接，MOS管T5的源极和MOS管T2的漏极连接，MOS管T8的漏极和三相电枢绕组的中心点连接；MOS管T1的源极和三相电枢绕组的A相连接，MOS管T3的源极和三相电枢绕组的B相连接，MOS管T5的源极和三相电枢绕组的C相连接；MOS管T1至MOS管T10的栅极均连接到单片机。

电容C2的容量大于等于

其中，L为三相电枢绕组的电感，W为同步电机额定功率、U₀为同步电机额定电压。上述电容C2容量的选择满足能够吸收同步电机在额定功率运行下停机时的三相电枢绕组的剩余能量。

电容C1为滤波电容，电容C2为具有升压功能的电解电容。电容C2选择电解电容，利用电解电容存储电能时伴随升压的特性，电容C2和直流电源VDC1串联在励磁起动时以高于同步电机额定电压的励磁电压进行励磁；电解电容还具有泄放能量快的特性，泄放能量时比普通直流电源的功率大，所以采用电解电容能够提高励磁速度。同时，随着电容C2能量的泄放，电容C2电压不断下降，方便平滑切换到同步电机正常的运动。

二极管VD2为肖特基二极管。利用肖特基二极管正向导通电压比普通二极管高的特性，当剩余能量较低时，二极管VD2将不再导通，以提高剩余能量回馈的有效性。

如图1所示的同步电机的励磁控制装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：单片机控制MOS管T10导通2s～3s时间然后断开，利用直流电源VDC2对电容C2充能；电容C2充能过程中，MOS管T1至MOS管T9一直处于关断状态；

步骤二：当同步电机需要励磁起动时：单片机控制MOS管T1、MOS管T3、MOS管T5导通，同时单片机控制MOS管T7导通1s～2s后关断，将电容C2中能量用于电机励磁中；励磁过程中MOS管T2、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T8、MOS管T9以及MOS管T10一直处于关断状态，励磁完成后，电机具备起动条件；

当同步电机停机时：单片机控制MOS管T8、MOS管T9导通，依次控制MOS管T1导通0.3s～0.6s、MOS管T3导通0.3s～0.6s以及MOS管T5导通0.3s～0.6s，MOS管T2、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T7和MOS管T10一直处于关断状态，剩余能量回馈完成后，MOS管T8、MOS管T9关断。

如图2所示，励磁过程中，单片机控制MOS管T1、MOS管T3、MOS管T5导通，同时单片机控制MOS管T7导通1s～2s后关断，将电容C2中能量用于电机励磁中；MOS管T2、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T8、MOS管T9以及MOS管T10一直处于关断状态。电流i₁从直流电源VDC1正极流出，流经二极管VD1；电流i₂从电容C2正极流出，流经MOS管T7；然后电流i₁和电流i₂汇流，再分流成电流i₃、电流i₄和电流i₅，电流i₃前后流经MOS管T1、A相电枢绕组，电流i₄前后流经MOS管T3、B相电枢绕组，电流i₅前后流经MOS管T5、C相电枢绕组，电流i₃、电流i₄和电流i₅汇流成电流i₆，电流i₆流经MOS管T8后流入直流电源VDC1的负极。从电容C2正极流出的电流i₂可以弥补励磁起动时电流上升慢的缺陷。过程中励磁电压等于电容C2两端的电压加上直流电源VDC1两端的电压。

如图3所示，A相电枢绕组剩余能量回馈时电流流向示意图。单片机控制MOS管T8、MOS管T9导通，同时控制控制MOS管T1导通0.3s～0.6s，单片机控制MOS管T2、MOS管T3、MOS管T4、MOS管T5、MOS管T6、MOS管T7和MOS管T10关断。电流从直流电源VDC1的负极流出，前后流经MOS管T8、A相电枢绕组、MOS管T1、二极管VD2、MOS管T9，最终流入电容C2正极，给电容C2充能。

如图4所示，B相电枢绕组剩余能量回馈时电流流向示意图。单片机控制MOS管T8、MOS管T9导通，同时控制控制MOS管T3导通0.3s～0.6s，单片机控制MOS管T1、MOS管T2、MOS管T4、MOS管T5、MOS管T6、MOS管T7和MOS管T10关断。电流从直流电源VDC1的负极流出，前后流经MOS管T8、B相电枢绕组、MOS管T3、二极管VD2、MOS管T9，最终流入电容C2正极，给电容C2充能。

如图5所示，C相电枢绕组剩余能量回馈时电流流向示意图。单片机控制MOS管T8、MOS管T9导通，同时控制控制MOS管T5导通0.3s～0.6s，单片机控制MOS管T1、MOS管T2、MOS管T3、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T7和MOS管T10关断。电流从直流电源VDC1的负极流出，前后流经MOS管T8、C相电枢绕组、MOS管T5、二极管VD2、MOS管T9，最终流入电容C2正极，给电容C2充能。

上述步骤中，电容C2是电解电容，充能时需要充足的充能时间，所以MOS管T10导通2s～3s才能满足电容C2充能；电容C2在能量泄放时不能实现在一瞬间泄放所有能量，所以MOS管T7导通1s～2s才能满足电容C2完全泄放。同步电机的电枢绕组不仅带有电阻，还带有电感，这使得电枢绕组中的电流不能立刻衰减，需要0.3s～0.6s将电枢绕组内的剩余能量回馈到电容C2，所以在电枢绕组剩余能量回馈时，MOS管T1、MOS管T3、MOS管T5需要导通0.3s～0.6s。虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种同步电机的励磁控制装置，包括：驱动模块、同步电机的三相电枢绕组，所述驱动模块与所述三相电枢绕组连接，用于起动、维持同步电机正常运转，其特征在于，还包括：控制模块、快速励磁模块；所述控制模块分别与所述驱动模块以及所述快速励磁模块连接，用于对所述驱动模块以及所述快速励磁模块进行状态控制；所述快速励磁模块分别与所述驱动模块以及三相电枢绕组连接，所述快速励磁模块用于在同步电机起动时辅助所述驱动模块对同步电机励磁；所述快速励磁模块用于在同步电机停机时吸收、存储电路中的剩余电流，所述快速励磁模块包括：储能单元、状态切换单元、充能单元；所述储能单元与所述状态切换单元连接，用于存储、释放电流；所述状态切换单元与所述驱动模块连接，基于所述控制模块发出的状态改变信号切换自身状态来改变所述储能单元与所述驱动模块之间的电流流向；所述充能单元分别与所述储能单元以及所述控制模块连接，基于所述控制模块发出的充能信号对所述储能单元充电，所述状态切换单元包括MOS管T7、MOS管T8、MOS管T9和二极管VD2，所述储能单元分别与所述MOS管T7的漏极、MOS管T9的源极连接；所述MOS管T9的漏极与所述二极管VD2的阴极连接；所述MOS管T7的源极以及所述二极管VD2阳极作为接口与所述驱动模块连接；MOS管T8的漏极与所述三相电枢绕组的中心点连接，源极与所述驱动模块中的电源负极连接；所述MOS管T7、MOS管T8、MOS管T9的栅极均连接到所述控制模块，所述驱动模块包括：直流电源VDC1、电容C1、MOS管T1、MOS管T2、MOS管T3、MOS管T4、MOS管T5、MOS管T6、二极管VD1；所述充能单元包括：直流电源VDC2、MOS管T10；所述储能单元包括电容C2；所述状态切换单元包括：MOS管T7、MOS管T8、MOS管T9、二极管VD2；所述控制模块包括单片机；所述直流电源VDC1的正极分别和所述直流电源VDC2的负极、电容C1的正极、电容C2的负极以及二极管VD1的阳极连接；所述直流电源VDC1的负极分别和所述电容C1的负极、MOS管T2的源极、MOS管T4的源极、MOS管T6的源极以及MOS管T8的源极连接，所述直流电源VDC2的正极和所述MOS管T10的漏极连接；所述电容C2的正极分别和所述MOS管T10的源极、MOS管T9的源极以及MOS管T7的漏极连接；所述二极管VD1的阴极分别和所述MOS管T7的源极、MOS管T1的漏极、MOS管T3的漏极、MOS管T5的漏极以及二极管VD2的阳极连接，所述二极管VD2的阴极和所述MOS管T9的漏极连接；所述MOS管T1的源极和所述MOS管T4的漏极连接，MOS管T3的源极和MOS管T6的漏极连接，所述MOS管T5的源极和所述MOS管T2的漏极连接，MOS管T8的漏极和三相电枢绕组的中心点连接；所述MOS管T1的源极和所述三相电枢绕组的A相连接，所述MOS管T3的源极和所述三相电枢绕组的B相连接，所述MOS管T5的源极和所述三相电枢绕组的C相连接；所述MOS管T1至所述MOS管T10的栅极均连接到所述单片机。

2.如权利要求1所述的同步电机的励磁控制装置，其特征在于，所述二极管VD2为肖特基二极管，所述电容C1为滤波电容，所述电容C2为具有升压功能的电解电容，所述电容C2的容量大于等于

其中，L为三相电枢绕组的电感，W为同步电机额定功率、U0为同步电机额定电压。

3.一种同步电机的励磁控制装置的使用方法，适用于如权利要求1所述的同步电机的励磁控制装置，其特征在于，在同步电机需要励磁起动之前当储能单元储电不足时，控制模块控制充能单元对储能单元进行充电；当同步电机需要励磁起动时，控制模块控制快速励磁模块向驱动模块输出电流，快速励磁模块输出的电流与驱动模块输出的电流结合对同步电机进行励磁；当同步电机停机时，控制模块控制快速励磁模块吸收、存储三相电枢绕组中的剩余电流，

具体步骤如下：

步骤一：当电容C2中储电不足时，单片机控制MOS管T10导通2s～3s时间然后断开，单片机控制MOS管T1至MOS管T9一直处于关断状态，利用直流电源VDC2对电容C2充能；

步骤二：当同步电机需要励磁起动时：单片机控制MOS管T1、MOS管T3、MOS管T5导通，单片机控制MOS管T2、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T8、MOS管T9以及MOS管T10一直处于关断状态，同时单片机控制MOS管T7导通1s～2s后关断，将电容C2中能量用于电机励磁中，励磁完成后，电机具备起动条件；

当同步电机停机时：单片机控制MOS管T8、MOS管T9导通，依次控制MOS管T1导通0.3s～0.6s、MOS管T3导通0.3s～0.6s以及MOS管T5导通0.3s～0.6s，单片机控制MOS管T2、MOS管T4、MOS管T6、MOS管T7和MOS管T10一直处于关断状态，当剩余能量回馈完成时，单片机控制MOS管T8、MOS管T9关断。

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