大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统技术方案

本发明专利技术公开一种大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统，其特征在于该系统由无刷双馈电机和三电平双PWM交流调速系统两大部分组成，三电平双PWM交流调速系统包括有无刷双馈电机三电平PWM整流单元和无刷双馈电机三电平逆变器单元。本发明专利技术的三电平双PWM交流调速系统主电路结构中每相桥臂采用四个功率器件串联，与两电平主电路结构相比，每个功率器件承受电压更小，同时整流端采用三电平PWM整流器，可以实现能量双向流动，提高能量回收率，减少电机交流调速系统的能量损耗，适合应用于高压大功率电机驱动场合。

【技术实现步骤摘要】
大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统
本专利技术涉及一种无刷双馈电机的变频调速系统，特别涉及一种大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统，属于自动化控制以及数控领域。
技术介绍
无刷双馈电机(简称为BDFM)是一种新型交流感应电机。其结构上定子端具有两套相互独立的不同极对数的三相定子绕组，分别称为功率绕组和控制绕组。分别由电网和变频电源供电。两套定子绕组共用一套铁心且没有直接的电磁耦合。这种电机在结构上取消了电刷和滑环，具有结构简单、坚固耐用、功率因数可调等优点。电机具有一套特殊结构的转子绕组。转子绕组采用特殊的结构，无刷双馈电机可以运行于同步，异步和双馈等多种状态，因此其在交流调速调速系统和变速恒频发电等领域中有着广阔的应用前景。三电平双PWM结构的变频调速系统功率因数可调，可实现能量双向传递，同时具有耐压程度更高、输出电压波形质量高等优点，适用于高压大容量交流调速系统。目前，对无刷双馈电机设计和控制方法的研究已经成为了研究热点。但是由于无刷双馈电动机模型较普通交流感应电机结构复杂，因此其控制系统结构和控制算法的开发具有一定的难度。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于解决现有技术的上述不足，经过反复研究和大量试验后提供一种大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统及其控制方法。本专利技术采用的三电平交流调速系统结构相对两电平结构控制精度更高，耐压更好。同时整流端采用三电平PWM整流器，可以实现能量双向流动，提高能量回收率，减少电机交流调速系统的能量损耗，适合应用于高压大功率电机驱动场合。本专利技术给出的这种大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统，其特征在于该系统由无刷双馈电机和三电平双PWM交流调速系统两大部分组成，三电平双PWM交流调速系统包括有无刷双馈电机三电平PWM整流单元和无刷双馈电机三电平逆变器单元；所述的无刷双馈电机三电平PWM整流单元：包括控制电路板单元，霍尔传感器、整流端交流电压、电流信号调理电路单元，整流器驱动电路单元；所述的无刷双馈电机三电平逆变器单元：包括逆变器主电路单元、霍尔传感器电压电流检测单元、功率绕组交流电压，电流信号调理电路单元、控制绕组交流电压、电流信号调理电路单元，直流端电压检测电路单元、逆变器驱动电路单元；其中无刷双馈电机的功率绕组连接工频电网，控制绕组连接交流调速系统；交流调速系统中的三电平PWM整流单元连接工频电网和直流端电容，将工频电网的交流电整流为直流电，检测单元由霍尔传感器连工频电网采集电压和电流信息，采集后的信号经过信号调理电路的滤波、放大送入DSP控制单元中DSP的AD端口，DSP计算整流所需的PWM信号，PWM信号送入驱动电路，驱动电路根据PWM信号控制主电路中开关器件的导通和关断。以实现交流整流为直流的整流过程；工频电网的交流电电流经过整流后通过直流母线电容的滤波作用，送入三电平PWM逆变单元，逆变单元分别采用霍尔传感器连接功率绕组端和控制绕组端，采集功率绕组端的电压、电流信号，信号送入信号调理电路，经过滤波放大送入DSP控制单元AD端口，DSP芯片计算出控制电机所需的PWM波信号，将PWM信号送入驱动电路，驱动电路根据信号控制主电路开关器件的导通和关断。以控制电机。三电平双PWM交流调速系统中的主电路由三电平PWM整流单元，直流端电容单元和三电平PWM逆变单元三部分构成，整流端单元和逆变单元分别由主电路单元，驱动电路单元，信号检测电路单元所构成。无刷双馈电机的定子绕组端由功率绕组和控制绕组组成，功率绕组由工频电网供电，控制绕组由交流调速系统的逆变单元供电。主电路的主要作用是实现将工频电网提供的交流电通过三电平PWM整流装置转化为直流电并通过电容实现滤波，然后经过三电平PWM逆变桥将直流电整流为频率和电压可调的交流电。电路主要包括整流、滤波和逆变电路三个单元。系统控制电路分为整流端控制电路和逆变端控制电路。整流端控制电路由电流和电压检测电路，检测整流前电网端交流电压和电流，同时将信号经过调理电路滤波和放大送到DSP整流控制电路单元.DSP整流控制电路单元通过输出信号到驱动电路以实现三电平PWM整流主电路的控制。最终实现将工频电网交流电整流为直流电。经过整流后直流电通过电容的滤波作用，作为三电平PWM逆变单元的输入。经过三电平逆变器实现直流电整流成为控制电机所需的交流电。逆变端的霍尔传感器采集功率绕组和控制绕组的电流和电压。电流和电压信号经过信号调理电路后，被送入到DSP控制电路。在控制芯片中执行控制算法，根据检测电流和电压计算电机的转矩和磁链，通过比较其误差。获得控制电机所需的PWM波。1.逆变单元其中逆变单元的电路分为二极管钳位式三电平逆变电路、IGBT缓冲吸收电路、充电限流电路等部分。主电路中每相桥臂有4个功率器件，2个钳位二极管构成。通过功率器件和钳位二极管配合不同的开关作用，使得各桥臂输出3种电压输出。2.驱动电路功率器件的驱动电路采用日本SHARP公司生产的PC929芯片，芯片具有高速、内建短路保护电路、使用方便等特点，是一种比较典型的驱动电路芯片。驱动电流最大为0.4A；具有高速响应时间；隔离电压高达4kV，适用于中小容量IGBT的驱动。在基于芯片PC929搭建的驱动电路中PC929的1、2引脚经电阻接PWM脉冲，3引脚接脉冲电压，10、14引脚接供电电源的负极，正极接13引脚，12引脚为输出级供电端，一般与13引脚共接，11引脚为输出端，经电阻R6驱动开关管，如果功率过大，可以经电阻R6接放大电路后再接开关管，9引脚及其外围电路构成保护电路，当有故障发生时，8引脚会输出低电平信号，TLP521内部发光二级管导通，在3引脚产生高电平信号，返回给主控芯片。稳压管Z3将E点电压钳位在9V，当输入PWM脉冲波形为低电平时，内部发光二极管导通，经光耦11引脚产生高电平，与E点的压降为15V，经电阻R6产生电流，使开关管导通。当输入PWM脉冲波形为高电平时，发光二级管截止，G、E之间产生-9V的压降，开关管截止。3.交流电压检测电路为了满足控制系统对电流检测高速及高精度的要求，系统中采用的是莱姆公司生产的霍尔电流传感器HBC10ES5来检测定子电流，电流传感器HBC10ES5为半圆形中空，导线从中间的圆孔中穿过，能在电隔离的条件下测量电流信号，确保电路安全。当有电流通过时，其内部元器件会自动感应产生电压信号，由U0的OUT引脚输出，HBC10ES5为有源器件，工作前必须供电，器件中1引脚Vcc为其供电电源，2引脚接地，3引脚直接输出电压信号.。其工作电压为±15V，频率带宽为0-100kHz。由于传感器得到的定子相电流是有正负值的交流信号，所以需要将传感器所得的信号经过电压提升，将信号调整到0-3.3V之间以满足DSP的AD接口的输入标准，再将其送入到DSP的AD转换模块中，电机控制板上有两路这样电流检测通道，分别用来检测电机A相和C相电流。电压检测原理和交流电流检测原理相同，电压传感器采用同是莱姆公司生产的LV28-P霍尔电压传感器，其测量范围10～500V,原边额定电流为10mA。4.直流端电压检测电路在主电路中，直流母线电压的稳定性直接影响着开关管的性能，因此必须把母线电压采集到控制器中加以控制。电流信号一般比较小，用霍尔电流传感器便可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统，其特征在于该系统由无刷双馈电机和三电平双PWM交流调速系统两大部分组成，三电平双PWM交流调速系统包括有无刷双馈电机三电平PWM整流单元和无刷双馈电机三电平逆变器单元；所述的无刷双馈电机三电平PWM整流单元：包括控制电路板单元，霍尔传感器、整流端交流电压、电流信号调理电路单元，整流器驱动电路单元；所述的无刷双馈电机三电平逆变器单元：包括逆变器主电路单元、霍尔传感器电压电流检测单元、功率绕组交流电压，电流信号调理电路单元、控制绕组交流电压、电流信号调理电路单元，直流端电压检测电路单元、逆变器驱动电路单元；其中无刷双馈电机的功率绕组连接工频电网，控制绕组连接交流调速系统；交流调速系统中的三电平PWM整流单元连接工频电网和直流端电容，将工频电网的交流电整流为直流电，检测单元由霍尔传感器连工频电网采集电压和电流信息，采集后的信号经过信号调理电路的滤波、放大送入DSP控制单元中DSP的AD端口，DSP计算整流所需的PWM信号，PWM信号送入驱动电路，驱动电路根据PWM信号控制主电路中开关器件的导通和关断，以实现交流整流为直流的整流过程；工频电网的交流电电流经过整流后通过直流母线电容的滤波作用，送入三电平PWM逆变单元，逆变单元分别采用霍尔传感器连接功率绕组端和控制绕组端，采集功率绕组端的电压、电流信号，信号送入信号调理电路，经过滤波放大送入DSP控制单元AD端口，DSP芯片计算出控制电机所需的PWM波信号，将PWM信号送入驱动电路，驱动电路根据信号控制主电路开关器件的导通和关断，以控制电机。...

【技术特征摘要】
1.一种大功率无刷双馈电机三电平双向变频调速系统，其特征在于该系统由无刷双馈电机和三电平双PWM交流调速系统两大部分组成，三电平双PWM交流调速系统包括有无刷双馈电机三电平PWM整流单元和无刷双馈电机三电平逆变器单元；所述的无刷双馈电机三电平PWM整流单元：包括控制电路板单元，霍尔传感器、整流端交流电压、电流信号调理电路单元，整流器驱动电路单元；所述的无刷双馈电机三电平逆变器单元：包括逆变器主电路单元、霍尔传感器电压电流检测单元、功率绕组交流电压，电流信号调理电路单元、控制绕组交流电压、电流信号调理电路单元，直流端电压检测电路单元、逆变器驱动电路单元；其中无刷双馈电机的功率绕组连接工频电网，控制绕组连接交流调速系统；交流调速系统中的三电平PWM整流单元连接工频电网和直流端电容，将工频电网的交流电整流为直流电，检测单元由霍尔传感器连工频电网采集电压和电流信息，采集后的信号经过信号调理电路的滤波、放大送入DSP控制单元中DSP的AD端口，DSP计算整流所需的PWM信号，PWM信号送入驱动电路，驱动电路根据PWM信号控制主电路中开关器件的导通和关断，以实现交流整流为直流的整流过程；工频电网的交流电电流经过整流后通过直流母线电容的滤波作用，送入三电平PWM逆变单元，逆变单元分别采用霍尔传感器连接功率绕组端和控制绕组端，采集功率绕组端的电压、电流信号，信号送入信号调理电路，经过滤波放大送入DSP控制单元AD端口，DSP芯片计算出控制电机所需的PWM波信号，将PWM信号送入驱动电路，驱动电路根据信号控制主电路开关器件的导通和关断，以控制电机；三电平双PWM交流调速系统中的主电路由三电平PWM整流单元，直流端电容单元和三电平PWM逆变单元三部分构成，整流端电容单元和三电平PWM逆变单元分别由主电路单元、驱动电路单元、信号检测电路单元所构成，主电路将工频电网提供的交流电通过三电平PWM整流装置转化为直流电并通过电容实现滤波，然后经过三电平PWM逆变桥将直流电整流为频率和电压可调的交...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岩，夏加宽，王丽梅，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21