CN204334399U - 无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制*** - Google Patents

Abstract

公开了一种无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***，其包括整流部、储能部、逆变部、正弦滤波器、输出变压器、负载/主发、交流变频励磁部、控制部；电机的定子功率绕组通过三相线路连接整流部的输入端，整流部的正负直流母线输出端连接逆变部的正负直流母线输入端，并且在正负直流母线上并联有储能部，逆变部的输出端通过三相线路连接正弦滤波器的输入端，正弦滤波器的输出端通过三相线路连接输出变压器的三相输入端，输出变压器连接负载/主发，定子励磁绕组通过三相线路连接至交流变频励磁部的三相输出端，交流变频励磁部的正负直流母线输入端并联到正负直流母线上，控制部为逆变部和交流变频励磁部提供控制信号。

Description

无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***

技术领域

本实用新型涉及一种电机的运行控制***，特别是涉及一种无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***。

背景技术

目前的无刷励磁无刷直流电机在励磁侧多数采用了直流励磁，且在转子功率励磁都是采用直流绕组电磁场进行转子功率励磁。如图11展示的是直流励磁交流发电机的运行控制***。虽然直流励磁控制相对简单，技术也比较成熟，但是普通直流励磁电机在低转速下存在直流励磁效率低、运行范围窄或者励磁失效和功率密度偏低的问题，降低了电励磁效率。而且转子功率励磁仅仅采用直流绕组电磁场发出常规的正弦波电压。为解决直流励磁在低转速下存在的励磁效率降低或者励磁失效的问题。为了进一步提高无刷励磁无刷直流电机的功率密度和发电效率。我司经过了大量研究、论证、验证后，已经提出并且申请了专利申请号为201410356061.1的实用新型专利和专利申请号为201420412580.0的实用新型专利的《无刷交流复合励磁无刷直流电机》。

但是为了实现无刷交流复合励磁无刷直流电机的功能，需要为其提供一种特别适用于该电机的运行控制***。为使电机能够实现交流无刷变频励磁，本***采用了交流变频励磁部为电机的无刷交流励磁绕组提供交流变频励磁电压。而且根据电机功率大小，定子功率绕组采用三、六、九等多相绕组，电机运行控制***也相应地采用6、12、18等多脉冲整流。从而达到了减小谐波、降低***成本、提高***的发电效率的目的。

此外，为实现特殊场合下如船舶轴带发电***的紧急靠岸功能(Take Home System)功能。即在主发动机损坏的紧急情况下，可以将主机与齿轮箱脱开，辅机带动主发电机作为船舶应急电源供电，原来工作在发电状态的轴带发电机则变为轴带电动机工作，从而驱动螺旋桨，实现应急靠岸(Take Home System)。除此之外，船舶电源还包括蓄电池组构成的小应急电源。当主发电机组不能供电时，由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照明***供电。因此本实用新型中的无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***，需要具备使功率由无刷励磁无刷直流电机到负载/主发以及由主发电机到无刷励磁无刷直流电机之间的双向流动的能力。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***。在电机上采用了交流无刷励磁，解决低速励磁问题，保证零速以上都可以发电，拓展了发电***的工作范围；采用旋转整流子，复合(永磁磁场+直流电磁场)励磁无刷直流发电机，提高电机功率密度和降低电机及***成本；发电端采用无刷直流绕组，产生梯形波发电电压，提高低速发电功率，进一步提高功率密度，大幅缩小电机及***体积；根据功率大小，采用6、12、18等多脉冲整流，减小谐波，能够取消PWM整流，降低***成本，提高整个运行***的效率；在整流和逆变环节采用四象限整流逆变方案，能使整个***在不改动***结构的基础上，实现发电状态到电动状态的切换。

本实用新型的无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)包括有：定子励磁绕组(12)，电机转子(13)，定子功率绕组(14)。所述的电机转子(13)包括转子励磁绕组(131)、旋转整流器(132)、转子功率励磁单元(133)，所述的转子功率励磁单元(133)包括直流绕组(1331)和永磁体(1332)，直流绕组(1331)附绕在永磁体(1332)上且两者进行复合励磁。

本实用新型的运行控制***包括有：包括整流部(3)、储能部(4)、逆变部(5)、正弦滤波器(6)、输出变压器(7)、负载/主发(8)、交流变频励磁部(9)、控制部(10)；其中无刷交流复合励磁无刷直流电机的定子功率绕组(14)通过三相线路连接至整流部的输入端，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，并且在整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，逆变部(5)的输出端通过三相线路连接至正弦滤波器(6)的输入端，正弦滤波器(6)的输出端通过三相线路连接至输出变压器(7)的三相输入端，输出变压器(7)通过三相四线线路或三相线路连接至负载/主发(8)，定子励磁绕组(12)通过三相线路连接至交流变频励磁部(9)的三相输出端，交流变频励磁部(9)的正负直流母线输入端并联到储能部(4)和逆变部(5)之间的正负直流母线上，控制部(10)为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

所述一种运行控制***还包括有：直流电抗器(2)；当***中的无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)在其定子功率绕组(14)上采用六相绕组，并分成两组120°对称的三相星型绕组时，***采用两组三相整流部(3)进行六脉冲整流；两组直流电抗器(2)分别串联在两组整流部(3)的直流母线输出正端与储能部(4)正极之间之间对两组整流部(3)的输出电压进行均压。

其中第一组三相星型绕组通过三相线路连接第一组整流部(3) 的输入端，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，在整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，且在整流部(3)直流母线正输出端和储能部(4)正极之间的正直流母线上串联有第一组直流电抗器(2)。

定子功率绕组(14)的第二组三相星型绕组通过三相线路连接第二组整流部(3)的输入端，该组整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，该组整流部(3)的正负直流母线输出端并联到储能部(4)的正负极，且在该组整流部(3)直流母线正输出端和储能部(4)正极之间的正直流母线上串联有第二组直流电抗器(2)。

逆变部(5)的输出端通过三相线路连接至正弦滤波器(6)的输入端，正弦滤波器(6)的输出端通过三相线路连接至输出变压器(7)的三相输入端。输出变压器(7)通过三相四线线路或三相线路连接至负载/主发(8)。电机的定子功率绕组(14)通过三相线路连接至运行***的交流变频励磁部(9)的三相输出端，交流变频励磁部(9)的正负直流母线输入端并联到储能部(4)和逆变部(5)之间的正负直流母线上。控制部(10)为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

所述一种运行控制***还包括有：位置检测单元(11)。在无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的位置检测端有位置检测单元(11)采集电机转子位置信号并将其提供给控制部(10)。

所述的交流变频励磁部(9)采用三相IGBT全控全桥结构，由控制部(10)为每一个IGBT提供通断信号。其中每个IGBT的C极(集电极)和E极(发射极)之间反向并联一个续流二极管，续流二极管由E极到C极单向导通，在IGBT功率开关管关断时起到续流作用。交流变频励磁部(9)的正负直流输入端连接到正负直流母线，并从正负直流母线上取电作为电流来源，通过三相IGBT全控全桥逆变为交流变频励磁电流，交流变频励磁部(9)的三相输出端通过三相线路连接到无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)产生交流变频励磁感应电磁场。

所述的整流部(3)包括三相全桥二极管不可控整流电路、三相全桥晶闸管半控整流电路、三相全桥IGBT半控整流电路、三相全桥晶闸管全控整流电路、三相全桥IGBT全控整流电路中的一种或多种。优选的，在本实用新型中整流部(3)采用了三相全桥二极管不可控整流和三相全桥TGBT全控整流。具体的，在本实用新型中的整流部(3)包括：PWM整流部(31)、全桥整流部(32)、整流逆变部(33)。特别的，整流逆变部(33)指的是三相全桥IGBT既可以工作在整流 状态的PWM整流，还可以工作在逆变状态的全控逆变。

所述的逆变部(5)采用是三相全桥IGBT全控逆变。逆变部(5)采用三相IGBT全桥全控结构，由控制部(10)为每一个IGBT提供通断信号。其中每个IGBT的C极(集电极)和E极(发射极)之间反向并联一个续流二极管，续流二极管由E极到C极单向导通，在IGBT功率开关管关断时起到续流作用。具体的，在本实用新型中的逆变部(5)包括：全控逆变部(51)；逆变整流部(52)。特别的，逆变整流部(52)指的是三相全桥IGBT既可以工作在逆变状态的全控逆变，还可以工作在整流状态的PWM整流。

基于所述的整流部(3)和逆变部(5)的不同，控制部(10)具体的还包括了为全控逆变部(51)、逆变整流部(52)、交流变频励磁部(9)、PWM整流部(31)、整流逆变部(33)提供控制信号。

所述的储能部(4)包括有：DC/DC变换的电池组、超级电容、高能电容、电解电容、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池中的一种或几种，连接关系为串联、并联、混联中的一种。优选的，在本实用新型中采用了大容量电容器进行直流母线滤波以及储能。

所述的负载/主发(8)包括有：电力负载(81)和主发电机(82)。具体的，当所述的无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***仅用作发电运行向负载/主发(8)中电力负载(81)供电时，由于用电负载多采用三相四线线制。故输出变压器(7)采用三相四线线路连接负载/主发(8)中的电力负载(81)。具体的，当无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***既要用作发电运行向为负载/主发(8)中主发电机(82)供电，又要用作电动运行使负载/主发(8)中主发电机(82)向无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)供电时，由于主发电机(82)只需要采用三相线路，故输出变压器(7)采用三相线路连接负载/主发(8)中的主发电机(82)。特别的，当主发电机采用永磁同步电机时，其特别适用于用作电动机运行，又可以作为发电机运行。

所述的正弦滤波器(6)为三相滤波结构，在其输入端为三相滤波电感L，在其输出端并联有星型连接的三组RC并联阻容或角型连接的三组RC并联阻容。当所述的无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***仅用作发电运行向电力负载(81)供电时，正弦滤波器(6)在将全控逆变部(51)输出的PWM波滤波为正弦波的过程中会滤除大量高次谐波成分。当所述的无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***用作电动运行，并由主发电机(82)供电时，逆变整流部(52)工作在整流状态，并且逆变整流部(52)与正弦滤波器(6)中的三相滤波电感L共同构成三相PFC进行PWM整流。

所述的输出变压器(7)包括有：三相三线一次侧对三相三线二 次侧和三相三线一次侧对三相四线二次侧两种结构。当负载/主发(8)采用电力负载(81)时，三相三线一次侧为三相输入端，三相四线二次侧为输出端并通过三相四线连接电力负载(81)；当负载/主发(8)采用主发电机(82)时，三相三线一次侧为三相输入端，三相三线二次侧为输出端并通过三相线路连接主发电机(82)。

本实用新型的运行控制***优越性和技术效果在于：

1、本实用新型的运行控制***采用了交流变频励磁部为电机提供交流变频励磁，相比无刷励磁同步电动机交流端的直流励磁，解决了电机在低转速下存在的励磁效率降低或者励磁失效和功率密度偏低的问题，保证零速以上都可以发电，拓展了发电***的工作范围；

2、本实用新型的运行控制***根据电机定子功率绕组的多相励磁，采用6、12、18等多脉冲整流，减小谐波，能够取消PWM整流，降低***成本，提高整个运行***的效率；

3、本实用新型的运行控制***在整流和逆变环节采用四象限整流逆变方案，能使整个***在不改动***结构的基础上，实现运行***从发电状态到电动状态的切换；

4、本实用新型的运行控制***采用无刷交流复合励磁无刷直流电机能获得更高密度的功率输出，能够解决常规电机励磁电流较大、运行功率和效率低、励磁损耗较高、耗能、稳定性差、可靠性差等问题；

5、本实用新型的运行控制***在无刷交流复合励磁无刷直流电机的位置检测端有位置检测单元采集电机转子位置信号并将其提供给控制部。且电机在功率绕组端的转子上采用了直流磁场和永磁磁场复合励磁，相比交流异步电机更容易实现对电机在各种工况下的精确控制；

6、本实用新型结合同步电机和直流电机的优点解决了同步电机功率较小，成本高和起动困难；异步电机效率和功率密度偏低的问题；提供一种适用于无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步说明。

图1为本实用新型运行控制***第1原理结构图；

图2为本实用新型运行控制***第2原理结构图；

图3为本实用新型运行控制***第3原理结构图；

图4为本实用新型运行控制***第4原理结构图；

图5为本实用新型运行控制***第1实施例图；

图6为本实用新型运行控制***第2实施例图；

图7为本实用新型运行控制***第3实施例图；

图8为本实用新型运行控制***第4实施例图；

图9为本实用新型运行控制***第5实施例图；

图10为本实用新型运行控制***第6实施例图；

图11为现有的直流励磁交流发电机的运行控制***实施例图；

图12为本实用新型无刷交流复合励磁无刷直流电机的原理结构图。

标号说明

本实用新型运行***部分：

无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)；直流电抗器(2)；

整流部(3)；PWM整流部(31)；全桥整流部(32)；整流逆变部(33)；储能部(4)；逆变部(5)；全控逆变部(51)；逆变整流部(52)；正弦滤波器(6)；输出变压器(7)；负载/主发(8)；电力负载(81)；主发电机(82)；交流变频励磁部(9)；控制部(10)；位置检测单元(11)。

现有的直流励磁交流发电机的运行***部分：

直流励磁交流发电机(16)；直流励磁单元(91)。

本实用新型电机部分：

定子励磁绕组(12)；电机转子(13)；定子功率绕组(14)；功率绕组端(15)；转子励磁绕组(131)；旋转整流器(132)；转子功率励磁单元(133)；保护单元(134)；直流绕组(1331)；永磁体(1332)；

具体实施方式

图1是本实用新型运行控制***的第1原理结构图。本原理结构图中，无刷交流复合励磁无刷直流电机1作为发电机机进行发电运行。其中，无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)通过三相线路连接至整流部(3)的输入端，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，并且在整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)。逆变部(5)的输出端通过三相线路连接至正弦滤波器(6)的输入端，正弦滤波器(6)的输出端通过三相线路连接至输出变压器(7)的三相输入端。输出变压器(7)通过三相四线线路或三相线路连接至负载/主发(8)。电机的定子励磁绕组(12)通过三相线路连接至运行***的交流变频励磁部(9)的三相输出端，交流变频励磁部(9)的正负直流母线输入端并联到储能部(4)和逆变部(5)之间的正负直流母线上。控制部(10)为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

定子功率绕组(14)发出三相交流电通过整流部(3)整流为直流电，再通过正负直流母线连接储能部(4)进行滤波、储能，并将滤波后的直流电输送给逆变部(5)逆变为频率可控的交流电，通过三相线路输送给正弦滤波器将逆变部(5)输出的PWM波滤波为正弦波，同时滤除大量高次谐波成分。滤波后的交流电通过输出变压器(7)变压后为负载/主发(8)供电。与此同时，由交流变频励磁部(9)从正负直流母线获取直流电逆变为三相变频交流电流，并提供给无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子励磁绕组(12)产生交变磁场。控制部(10)在此过程中为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

图2是本实用新型运行控制***的第2原理结构图。本原理结构图中，无刷交流复合励磁无刷直流电机1作为发电机机进行发电运行。其中，无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)采用六相绕组，并分成两组120°对称的三相星型绕组。其中第一组三相星型绕组通过三相线路连接第一组整流部(3)的输入端，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，在整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，且在整流部(3)直流母线正输出端和储能部(4)正极之间的正直流母线上串联有第一组直流电抗器(2)。

定子功率绕组(14)的第二组三相星型绕组通过三相线路连接第二组整流部(3)的输入端，该组整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，该组整流部(3)的正负直流母线输出端并联到储能部(4)的正负极，且在该组整流部(3)直流母线正输出端和储能部(4)正极之间的正直流母线上串联有第二组直流电抗器(2)。逆变部(5)的输出端通过三相线路连接至正弦滤波器(6)的输入端，正弦滤波器(6)的输出端通过三相线路连接至输出变压器(7)的三相输入端。输出变压器(7)通过三相四线线路或三相线路连接至负载/主发(8)。电机的定子励磁绕组(12)通过三相线路连接至运行***的交流变频励磁部(9)的三相输出端，交流变频励磁部(9)的正负直流母线输入端并联到储能部(4)和逆变部(5)之间的正负直流母线上。控制部(10)为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

第2原理结构图与第1原理结构图的区别在于无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)采用六相绕组，并分成两组120°对称的三相星型绕组。两组三相星形绕组发出两组三相交流电分别通过三相线路输送至两组整流部(3)整流为直流电，再将两组直流电并联至正负直流母线。但是由于两组整流部(4)的输出电 流存在不均衡的情况，因此在将两组直流电并联至正负直流母线之前，需要对两组直流电进行均压处理，因此在第二原理结构图中两组整流部(3)的输出正直流母线上均串联有直流电抗器(2)，在经过均压处理后，两组整流后的直流电经过储能部(4)滤波、储能，并将滤波后的直流电输送给逆变部(5)逆变为频率可控的交流电，通过三相线路输送给正弦滤波器将逆变部(5)输出的PWM波滤波为正弦波，输出的PWM波滤波为正弦波，同时滤除大量高次谐波成分。滤波后的交流电通过输出变压器(7)变压后为负载/主发(8)供电。与此同时，由交流变频励磁部(9)从正负直流母线获取直流电逆变为三相变频交流电流，并提供给无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子励磁绕组(12)产生交变磁场。控制部(10)在此过程中为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

图3是本实用新型运行控制***的第3原理结构图。第3原理结构图与第1原理结构图的区别在于当整流部(3)采用三相全桥IGBT全控整流的PWM整流部(31)时。由于控制部(10)为PWM整流部(31)提供控制信号时需要参考电机转子位置信息，因此增加了位置检测单元(11)。在无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的位置检测端有位置检测单元(11)采集电机转子位置信号并将其提供给控制部(10)。

图4是本实用新型运行控制***的第4原理结构图。第4原理结构图与第2原理结构图的区别在于当两组整流部(3)采用三相全桥IGBT全控整流的PWM整流部(31)时。由于控制部(10)为两组PWM整流部(31)提供控制信号时需要参考电机转子位置信息，因此增加了位置检测单元(11)。在无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的位置检测端有位置检测单元(11)采集电机转子位置信号并将其提供给控制部(10)。

图5是本实用新型的运行控制***第(1)实施例的图。本实施例中，无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)作为发电机机进行发电运行。

无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)，采用三相星型绕组将发出的三相交流电送至全桥整流部(32)，该全桥整流部(3)2采用二极管进行三相(6)脉冲不可控整流。

全桥整流部(32)将三相交流电整流为直流电后，通过正负直流母线输送给全控逆(51)进行三相全桥IGBT全控逆变。全控逆变部(51)将正负直流母线上的直流电逆变为三相交流电输送给正弦滤波器(6)，正弦滤波器(6)将全控逆变部(51)输出的SPWM调制波滤成近似正弦的电压波形，以减小全控逆变部(51输出的高频谐波，从而有效抑制高频损耗及dv/dt射频干扰。正弦滤波器将滤波后的交流电输送给输出变压器(7)的一次侧，输出变压器(7)主要起到升 降电压、匹配阻抗、安全隔离等作用。输出变压器(7)二次侧通过三相四线连接至电力负载(81)，为用户提供负载所需380V和220V电源。控制部(10)为全控逆变部(51和交流变频励磁部(9)提供控制IGBT通断的PWM信号。

交流变频励磁部9同样采用IGBT进行三相全桥全控逆变。交流变频励磁部(9)的正负直流端从正负直流母线上取电，通过将直流电逆变为电压电流频率可调的三相交流电，提供给无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子励磁绕组(12)，进行变频励磁，从而扩大普通直流励磁电机的运行范围，并解决直流励磁电机在低转速下励磁效率低和容易励磁失效的问题。

图6是本实用新型的运行控制***第2实施例的图。本实施例中，无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)作为发电机进行发电运行。

无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)采用六相星型绕组将发出的六相交流电，分为两组120°对称的三相交流电分别输送给两组全桥整流部(32)，两组全桥整流部(32)都采用二极管进行三相6脉冲不可控整流。第一组三相星型绕组通过三相线路连接全桥整流部(32)的三相输入端，第二组三相星型绕组也通过三相线路连接全桥整流部(32)的三相输入端；全桥整流部(32)的正负直流端通过正负直流母线并联至储能部(4)的正负端，且在全桥整流部(32)和储能部(4)之间的正直流母线上串联有直流电抗器(2)；全桥整流部(32)的正负直流端也通过正负直流母线并联至储能部(4)的正负端，且在全桥整流部(32)和储能部(4)之间的正直流母线上同样串联有直流电抗器(2)；由于两组全桥整流部(32)的输出正负直流母线并联导致两者整流元件存在管压降不一的问题，所以需要在两组全桥整流部(32)的输出正直流母线并联至储能部(4)之前各自串联直流电抗器(2)进行均压。

其中储能部(4)起到储能、滤波的作用，储能部(4)的正负端通过正负直流母线连接至全控逆变部(51)，全控逆变部(51)采用IGBT进行三相全桥全控逆变。全控逆变部(51)将正负直流母线上的直流电逆变为三相交流电输送给正弦滤波器(6)，正弦滤波器(6)将全控逆变部(51)输出的SPWM调制波滤成近似正弦的电压波形以减小全控逆变部(51)输出的高频谐波，从而有效抑制高频损耗及dv/dt射频干扰。正弦滤波器将滤波后的交流电输送给输出变压器(7)的一次侧，输出变压器(7)主要起到升降电压、匹配阻抗、安全隔离等作用。输出变压器(7)二次侧通过三相四线连接至电力负载(81)，为用户提供负载所需380V和220V电源。控制部(10)为全控逆变部(51)和交流变频励磁部(9)提供控制IGBT通断的PWM信号。

交流变频励磁部(9)同样采用IGBT进行三相全桥全控逆变。并 由控制部(10)提供控制IGBT通断的PWM信号。交流变频励磁部(9)的正负直流端从正负直流母线上取电，通过将直流电逆变为电压电流频率可调的三相交流电，提供给无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子励磁绕组(12)，进行变频励磁，从而扩大普通直流励磁电机的运行范围，并解决直流励磁电机在低转速下励磁效率低和容易励磁失效的问题。

图7是本实用新型的运行控制***第3实施例的图。本实施例中，无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)作为发电机进行发电运行。

无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)，采用三相星型绕组将发出的三相交流电送至PWM整流部(31)。PWM整流部(31)采用IGBT构建如图所示的三相全桥结构，同样每个IGBT功率开关管的集电极C极和发射极E极之间反向并联一个二极管，二极管由E极到C极单向导通。

PWM整流部(31)采用PWM整流时，主要采用IGBT进行三相6脉冲全桥全控整流，控制部(10)为PWM整流部(31)和全控逆变部(51)提供控制IGBT通断的PWM信号。与每个IGBT反向并联的二极管在此过程中，在IGBT功率开关管关断时起到续流作用。

PWM整流部(31)将无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)发出的三相交流电整流为直流电通过正负直流母线输送给全控逆变部(51)，正负直流母线上并联的储能部(4)起到储能、滤波的作用，全控逆变部(51)同样采用IGBT进行三相全桥全控逆变。全控逆变部(51)将正负直流母线上的直流电逆变为三相交流电输送给正弦滤波器(6)，正弦滤波器(6)将全控逆变部(51)输出的SPWM调制波滤成近似正弦的电压波形以减小全控逆变部(51)输出的高频谐波，从而有效抑制高频损耗及dv/dt射频干扰。正弦滤波器将滤波后的交流电输送给输出变压器(7)的一次侧，输出变压器(7)主要起到升降电压、匹配阻抗、安全隔离等作用。输出变压器(7)二次侧通过三相四线连接至电力负载(81)，为用户提供负载所需380V和220V电源。控制部(10)向逆变整流部(52)、逆变整流部(52)和交流变频励磁部(9)输出PWM控制信号。位置检测单元(11)为控制部(10)提供无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的转子位置信号。

交流变频励磁部(9)同样采用IGBT进行三相全桥全控逆变。交流变频励磁部(9)的正负直流端从正负直流母线上取电，通过将直流电逆变为电压电流频率可调的三相交流电，提供给无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子励磁绕组(12)，进行变频励磁，从而扩大普通直流励磁电机的运行范围，并解决直流励磁电机在低转速下励磁效率低和容易励磁失效的问题。

图8是本实用新型的运行控制***第4实施例的图。本实施例中， 运行控制***与图7中实施例3基本相同。无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)既可如实施例3作为发电机进行发电运行，还可以作为电动机进行电动运行。

但是与图7中的实施例3不同的是，实施例4中，当***功率从无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)流向主发电机(82)，整流逆变部(33)工作在PWM整流状态，逆变整流部(52)工作在全控逆变状态。当***功率从主发电机(82)流向无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)时，整流逆变部(33)工作在全控逆变状态，逆变整流部(52)工作在PWM整流状态。因此为区分于实施例3中的整流部分和逆变部分，特别的将两处的三相全桥IGBT分别定义为整流逆变部(33)和逆变整流部(52)。

图9是本实用新型的运行控制***第5实施例的图。本实施例中，本实施例中，无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)作为发电机进行发电运行。

图9中，无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)采用六相星型绕组，并分成两组120°对称的三相星型绕组外接两组三相线路连接至各自的整流部，第一组三相星型绕组通过三相线路连接一组PWM整流部(31)的三相输入端，第二组三相星型绕组通过三相线路连接另一组PWM整流部(31)的三相输入端；第一组PWM整流部(31)的正负直流端通过正负直流母线并联至储能部(4)的正负端，且在PWM整流部(31)和储能部(4)之间的正直流母线上串联有直流电抗器(2)；第二组PWM整流部(31)的正负直流端也通过正负直流母线并联至储能部(4)的正负端，且在PWM整流部(31)和储能部(4)之间的正直流母线上同样串联有直流电抗器(2)；储能部(4)的正负端又通过正负直流母线连接至全控逆变部(51)的正负直流端，全控逆变部(51)的三相输出端通过三相线路连接至正弦滤波器(6)的三相输入端，正弦滤波器(6)的三相输出端通过三相线路连接至输出变压器(7)的三相输入端，变压器(7)的三相输出端通过三相线路连接至主发电机(82)。

无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子励磁绕组(12)通过三相线路连接到交流变频励磁部(9)的三相输出端，交流变频励磁部(9)的正负直流端并联至正负直流母线上储能部(4)的两端。控制部(10)向PWM整流部(31)、全控逆变部(51)和交流变频励磁部(9)输出PWM控制信号。位置检测单元(11)为控制部(10)提供无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的转子位置信号。

图10是本实用新型的运行控制***第6实施例的图。本实施例中，运行控制***与图9中实施例5基本相同。但是无刷交流复合励 磁无刷直流电机(1)除用作发电机之外，还作为电动机进行电动运行。

但是与图9中的实施例5不同的是，实施例6中，当***功率从无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)流向主发电机(82)时，两组整流逆变部(33)工作在PWM整流状态，逆变整流部(52)工作在全控逆变状态。当***功率从主发电机(82)流向无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)时，整流逆变部(33)工作在全控逆变状态，逆变整流部(52)工作在PWM整流状态。因此为区分于实施例5中的整流部分和逆变部分，特别的将三处的三相全桥IGBT分别定义为整流逆变部(33)和逆变整流部(52)。

综上，可以从以上实施例5和实施例3的主电路图中看出，实施例5和实施例3的区别在于无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)采用了6相星型绕组，所以增加了一组整流逆变部(33)，并增加了均流用的两组直流电抗器(2)。但是再综合实施例3、实施例4、实施例5、实施例6，可以发现当无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)由发电机转变为电动机，当负载电机由电动机转换为发电机，这四个实施例中***主电路都能实现能量的双向流动。只有在输出变压器(7)上根据电力负载(81)需要，这是为用户提供220V输出电力的需要，采用了三相四线制和三相三线制。对整个***主电路的原理没有影响。

由于实施例5中电路中整流逆变部(33)与逆变整流部(51)，进行背靠背设置，可以实现双向能量流动，所以在船舶轴带发电领域该实施例可以作为发电和电推的典型应用。且逆变整流部(51)具有输入电流正弦，谐波含量低，功率因数高及双向能量流动，体积小及重量轻等特点，在功率因数补偿，电能回馈，有源滤波等领域也有着广泛的应用。

图11是其他直流励磁交流发电机的运行控制***实施例图。该实施例中，直流励磁交流发电机(16)的三相发电端通过三相线路连接至PWM整流部(31)的输入端，PWM整流部(31)将输入的交流电整流为直流电通过正负直流母线连接至逆变部(5)，且在正负直流母线上并联有储能部(4)起到储能、滤波作用。逆变部5将直流电逆变为频率可调的三相交流电通过三相线路输出至输出变压器(7)，再通过三相四线为电力负载提供所需电流。直流励磁交流发电机(16)的直流励磁端通过正负线路连接至直流励磁单元(91)的直流输出端，直流励磁单元(91)的直流输入端通过正负线路并联至储能部(4)与逆变部(5)之间的正负直流母线上。此过程中，控制部(10)为PWM整流部(31)和逆变部(5)提供TGBT通断的控制信号。

图12是本实用新型无刷交流复合励磁无刷直流电机的原理结构图。

该无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)，其包括定子励磁绕组(12)，电机转子(13)，定子功率绕组(14)，所述的电机转子(13)包括转子励磁绕组(131)、旋转整流器(132)、转子功率励磁单元(133)，所述的转子功率励磁单元(133)包括直流绕组(1331)和永磁体(1332)，直流绕组(1331)附绕在永磁体(1332)上且两者进行复合励磁。

更进一步地，所述的定子励磁绕组(12)采用交流变频励磁，通过在定子励磁绕组(12)输入变频交流电产生交流变频感应电磁场，使电机转子(13)中的转子励磁绕组(131)产生交流电，并通过旋转整流器(132)整流为直流电，该直流电为转子功率励磁单元(133)中的直流绕组(1331)提供电流产生直流电磁场。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.无刷交流复合励磁无刷直流电机的运行控制***，其特征在于：其包括整流部(3)、储能部(4)、逆变部(5)、正弦滤波器(6)、输出变压器(7)、负载/主发(8)、交流变频励磁部(9)、控制部(10)；其中无刷交流复合励磁无刷直流电机的定子功率绕组(14)通过三相线路连接至整流部的输入端，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，并且在整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，逆变部(5)的输出端通过三相线路连接至正弦滤波器(6)的输入端，正弦滤波器(6)的输出端通过三相线路连接至输出变压器(7)的三相输入端，输出变压器(7)通过三相四线线路或三相线路连接至负载/主发(8)，定子励磁绕组(12)通过三相线路连接至交流变频励磁部(9)的三相输出端，交流变频励磁部(9)的正负直流母线输入端并联到储能部(4)和逆变部(5)之间的正负直流母线上，控制部(10)为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

2.根据权利要求1所述的运行控制***，其特征在于：该运行控制***还包括直流电抗器(2)；当***中的无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)在其定子功率绕组(14)上采用六相绕组，并分成两组120°对称的三相星型绕组时，***采用两组三相整流部(3)进行六脉冲整流；两组直流电抗器(2)分别串联在两组整流部(3)的直流母线输出正端与储能部(4)正极之间对两组整流部(3)的输出电压进行均压；其中第一组三相星型绕组通过三相线路连接第一组整流部(3)的输入端，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，在整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，且在整流部(3)直流母线正输出端和储能部(4)正极之间的正直流母线上串联有第一组直流电抗器(2)；定子功率绕组(14)的第二组三相星型绕组通过三相线路连接第二组整流部(3)的输入端，该组整流部(3)和逆变部(5)之间的正负直流母线上并联有储能部(4)，整流部(3)的正负直流母线输出端连接至逆变部(5)的正负直流母线输入端，该组整流部(3)的正负直流母线输出端并联到储能部(4)的正负极，且在该组整流部(3)直流母线正输出端和储能部(4)正极之间的正直流母线上串联有第二组直流电抗器(2)；逆变部(5)的输出端通过三相线路连接至正弦滤波器(6)的输入端，正弦滤波器(6)的输出端通过三相线路连接至输出变压器(7)的三相输入端；输出变压器(7)通过三相四线线路或三相线路连接至负载/主发(8)；电机的定子功率绕组(14)通过三相线路连接至运行***的交流变频励磁部(9)的三相 输出端，交流变频励磁部(9)的正负直流母线输入端并联到储能部(4)和逆变部(5)之间的正负直流母线上；控制部(10)为逆变部(5)和交流变频励磁部(9)提供控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的运行控制***，其特征在于：该运行控制***还包括位置检测单元(11)，其设在无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的位置检测端，并用于采集电机转子位置信号并将其提供给控制部(10)。

4.根据权利要求3所述的运行控制***，其特征在于：交流变频励磁部(9)采用三相IGBT全控全桥结构，由控制部(10)为每一个IGBT提供通断信号，其中每个IGBT的C极和E极之间反向并联一个续流二极管，续流二极管由E极到C极单向导通，在IGBT功率开关管关断时起到续流作用，交流变频励磁部(9)的正负直流输入端连接到正负直流母线，并从正负直流母线上取电作为电流来源，通过三相IGBT全控全桥逆变为交流变频励磁电流，交流变频励磁部(9)的三相输出端通过三相线路连接到无刷交流复合励磁无刷直流电机(1)的定子功率绕组(14)产生交流变频励磁感应电磁场。

5.根据权利要求1所述的运行控制***，其特征在于：整流部(3)包括三相全桥二极管不可控整流电路、三相全桥晶闸管半控整流电路、三相全桥IGBT半控整流电路、三相全桥晶闸管全控整流电路、三相全桥IGBT全控整流电路中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的运行控制***，其特征在于：逆变部(5)包括：全控逆变部(51)、逆变整流部(52)，逆变整流部(52)是三相全桥IGBT，既工作在逆变状态的全控逆变，还工作在整流状态的PWM整流；控制部(10)为全控逆变部(51)、逆变整流部(52)、交流变频励磁部(9)、PWM整流部(31)、整流逆变部(33)提供控制信号；储能部(4)包括：DC/DC变换的电池组、超级电容、高能电容、电解电容、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池中的一种或几种，连接关系为串联、并联、混联中的一种；负载/主发(8)包括：电力负载(81)和主发电机(82)；正弦滤波器(6)为三相滤波结构，在其输入端为三相滤波电感L，在其输出端并联有星型连接的三组RC并联阻容或角型连接的三组RC并联阻容；输出变压器(7)包括：三相三线一次侧对三相三线二次侧和三相三线一次侧对三相四线二次侧两种结构；当负载/主发(8)采用电力负载(81)时，三相三线一次侧为三相输入端，三相四线二次侧为输出端并通过三相四线连接电力负载(81)；当负载/主发(8)采用主发电机(82)时，三相三线一次侧为三相输入端，三相三线二次侧为输出端并通过三相线路连接主发电机(82)。