一种电机转子无线供电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电机转子无线供电系统，包括主电路系统和控制系统；主电路系统包括三相全桥电路、单相全桥电路、磁耦合谐振网络、交交变频电路以及绕线电机转子。磁耦合谐振网络包括一次侧补偿网络、旋转变压器和三个二次侧补偿网络；其中，一次侧补偿网络与旋转变压器中的固定绕组相连接，形成单相输入；三个二次侧补偿网络分别与旋转变压器中的旋转绕组相连接，形成三相输出；控制系统中包括控制器1、控制器2和无线信息传输模块；控制器1能对三相全桥电路和单相全桥电路进行控制；控制器2能对三相交交变频电路进行控制。本发明专利技术能完全代替滑环装置的电机转子无线供电系统，能实现转子电能的变频控制以及能量的双向流动。

【技术实现步骤摘要】
一种电机转子无线供电系统
本专利技术涉及电机控制、电力电子变压器以及无线输电领域，特别是一种电机转子无线供电系统。
技术介绍
随着功率碳化硅等电力电子技术在近几十年的快速发展，高频电力电子变压器在近十几年受到广泛关注。与之同时，无线电能传输飞速发展，非接触电能传输得到大量的研究，效率也越来越高。电机设备在日常生产生活中广泛应用，然而电机的滑环与电刷在运行中容易产生火花和粉尘，严重影响了电机运行的安全可靠性，同时在一些特殊环境下对电机的维护十分困难，滑环与电刷限制了电机的应用环境。在这样的背景下，本专利技术结合上述电磁、电力电子和无线能量传输的原理，提出了一种为交流电机转子提供电能的电机供电系统，此系统可以替换电机的电刷滑环机构，消除电机由于电刷接触不良带来的安全问题，提高了电机运行的稳定性，从而减少对电机的物理维护。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种电机转子无线供电系统，该电机转子无线供电系统将电磁、电力电子和无线能量传输相结合，完全代替滑环装置的电机转子无线供电系统，能实现转子电能的变频控制以及能量的双向流动。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种电机转子无线供电系统，包括主电路系统和控制系统。主电路系统包括三相全桥电路、单相全桥电路、磁耦合谐振网络、交交变频电路以及绕线电机转子。主电路系统中三相全桥电路与电网直接连接。三相全桥电路经一个滤波电容与单相全桥电路相连。单相全桥电路与磁耦合谐振网络连接。磁耦合谐振网络包括一个一次侧补偿网络、旋转变压器和三个二次侧补偿网络。其中，一次侧补偿网络与旋转变压器中的固定绕组相连接，形成单相输入。三个二次侧补偿网络分别与旋转变压器中的旋转绕组相连接，形成三相输出。三相输出分别与三相交交变频电路相连接。三相交交变频电路与绕线电机转子的三相绕组直接连接。控制系统中包括控制器1、控制器2和无线信息传输模块。控制器1分别与电网、三相全桥电路和单相全桥电路相连接，能够采集一次侧电气量信息。其中，一次侧电气量信息包括电网的电压电流信号以及直流母线电压。控制器2分别与三相交交变频电路和绕线电机转子相连接，能够采集二次侧电气量信息。其中，二次侧电气量信息包括绕线电机转子的电压电流、转子转速和转子转矩。控制器1通过采集的一次侧电气量信息对三相全桥电路进行控制，使得直流母线电压保持稳定；另一方面结合控制器2反馈的二次侧电气量信息对单相全桥电路进行控制，使直流电变为具有不同占空比的高频交流电，达到控制传输功率的作用；控制器2通过采集的二次侧电气量信息并结合控制器1反馈的一次侧电气量信息，对三相交交变频电路进行控制，为绕线电机转子提供低频交流电，使绕线电机转子能够稳定运行。三相交交变频电路可以由三相独立的全桥电路构成；每相全桥电路均由呈H桥结构连接的四个双向开关组成；每个双向开关由两个带有反并联二极管的开关管反向串联而成三相交交变频电路、磁耦合谐振网络的三相输出以及绕线电机转子的三相转子绕组串联，构成主电路系统的二次侧。三相交交变频电路中的每相交交变频电路可由两个反并联的H桥组成，每个H桥均包括四个开关管。三相交交变频电路、磁耦合谐振网络的三相输出以及绕线电机转子的三相转子绕组串联，构成主电路系统的二次侧。三相交交变频电路可为三相矩阵变换器，三相矩阵变换器由九组双向开关呈3×3矩阵形式排列构成。其中，每个双向开关均包括两个反向串联的带有反并联二极管的开关管。三相交交变频电路、磁耦合谐振网络的三相输出以及绕线电机转子的三相转子绕组串联，构成主电路系统的二次侧。一次侧补偿网络和三个二次侧补偿网络均为并联补偿结构，均包括一个补偿电容和一个补偿电感。在一次侧补偿网络中，补偿电容并联在旋转变压器一次侧绕组两端，补偿电感和旋转变压器一次侧绕组串联后与单向全桥相连接。在三个二次侧补偿网络中，每个补偿电容均并联在旋转变压器二次侧绕组两端，补偿电感和旋转变压器二次侧绕组串联后与对应相的交交变频电路相连接。一次侧补偿网络和三个二次侧补偿网络均包括一个补偿电容和与补偿电容相串联的补偿电感。一次侧补偿网络和三个二次侧补偿网络均为LCC补偿结构，均包括一个补偿电感和两个补偿电容。两个补偿电容分别为第一补偿电容和第二补偿电容。在一次侧补偿网络中，第一补偿电容并联在旋转变压器一次侧绕组两端，补偿电感、旋转变压器一次侧绕组和第二补偿电容依次串联后与单向全桥相连接。在三个二次侧补偿网络中，每个第一补偿电容均并联在旋转变压器二次侧绕组两端，补偿电感、旋转变压器二次侧绕组和第二补偿电容依次串联后与对应相的交交变频电路相连接。三相全桥电路、单相全桥电路和三相交交变频电路中的开关元件均为功率半导体开关器件，功率半导体开关器件的型号为IGBT、MOSFET或SiC-MOSFET。控制器1和控制器2均包括信息采样模块、信息处理模块和驱动模块。其中，信息采样模块包括电压电流采样模块、转速转矩检测模块。信息处理模块采用DSP控制芯片。驱动模块将控制信号变为开关管驱动信号。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术中二次侧采用交交变频电路取缔传统交直交变频电路，能省略交直交电路中的滤波大电容，使系统体积大大减小，使得该系统在对设备体积有要求的场合中也能被应用；该结构可以实现电能的双向流动，在实际应用中能为电机转子供电，也可以将转子电能反馈电网，灵活的电能传输控制，能大大满足电机的工作需求，同时也提高了电机的电能利用率；磁耦合谐振网络中的旋转变压器采用了磁集成技术，实现了一相输入三相输出，使得能量利用率大大提高；三相独立的交交变频电路可实现对电机转子三相绕组电流的独立控制，增加了电机转子控制系统的容错能力。2、本专利技术中的补偿网络可采用串联补偿结构、并联补偿结构以及LCC补偿结构，不同的补偿结构具有不同的电气性能，可应用在多种情况下。其中串联补偿网络是目前应用范围较为广泛的网络，该网络构成简单，容易控制，具有较好的增益特性。并联补偿结构比串联补偿结构具有更好的稳定性，其一次侧线圈中的电流不会随变压器的互感变化而发生改变，在二次侧发生短路的情况下一次侧电流同样保持不变，二次侧电流归零，能够更好的保证系统的安全。LCC补偿网络相比于并联补偿网络在线圈支路中串入了一个隔直电容，该结构具有并联补偿拓扑稳定性高的优点，同时比并联补偿拓扑的传输功率更高。3、本专利技术中提到的交交变频电路同样有多种结构，其中包括由双向开关组成的三相桥式结构，由H桥反向并联组成的变频电路以及控制灵活的矩阵变换器。由双向开关组成的三相全桥交交变频电路是交交变频电路中常用的一种，该电路结构使用的开关管数量较多，但对单个开关管的耐压需求降低，可以使用在大多数应用场合。反并联H桥组成的交交变频电路中使用的开关管是不需要反并联二极管的，减少了功率原件的数量。该电路常采用余弦波交截控制法，功率因数不高，不适用于高频的场合，该电路普遍使用在高压低频的场合中。双向开关组成的矩阵变换器是一种较为新颖的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电机转子无线供电系统，其特征在于：包括主电路系统和控制系统；/n主电路系统包括三相全桥电路、单相全桥电路、磁耦合谐振网络、交交变频电路以及绕线电机转子；/n主电路系统中三相全桥电路与电网直接连接；三相全桥电路经一个滤波电容与单相全桥电路相连；单相全桥电路与磁耦合谐振网络连接；磁耦合谐振网络包括一个一次侧补偿网络、旋转变压器和三个二次侧补偿网络；其中，一次侧补偿网络与旋转变压器中的固定绕组相连接，形成单相输入；三个二次侧补偿网络分别与旋转变压器中的旋转绕组相连接，形成三相输出；/n三相输出分别与三相交交变频电路相连接；三相交交变频电路与绕线电机转子的三相绕组直接连接；/n控制系统中包括控制器1、控制器2和无线信息传输模块；/n控制器1分别与电网、三相全桥电路和单相全桥电路相连接，能够采集一次侧电气量信息；其中，一次侧电气量信息包括电网的电压电流信号以及直流母线电压；/n控制器2分别与三相交交变频电路和绕线电机转子相连接，能够采集二次侧电气量信息；其中，二次侧电气量信息包括绕线电机转子的电压电流、转子转速和转子转矩；/n控制器1通过无线信息传输模块与控制器2进行通讯；/n控制器1通过采集的一次侧电气量信息对三相全桥电路进行控制，使得直流母线电压保持稳定；另一方面结合控制器2反馈的二次侧电气量信息对单相全桥电路进行控制，使直流电变为具有不同占空比的高频交流电，达到控制传输功率的作用；/n控制器2通过采集的二次侧电气量信息并结合控制器1反馈的一次侧电气量信息，对三相交交变频电路进行控制，为绕线电机转子提供低频交流电，使绕线电机转子能够稳定运行。/n...

【技术特征摘要】
1.一种电机转子无线供电系统，其特征在于：包括主电路系统和控制系统；
主电路系统包括三相全桥电路、单相全桥电路、磁耦合谐振网络、交交变频电路以及绕线电机转子；
主电路系统中三相全桥电路与电网直接连接；三相全桥电路经一个滤波电容与单相全桥电路相连；单相全桥电路与磁耦合谐振网络连接；磁耦合谐振网络包括一个一次侧补偿网络、旋转变压器和三个二次侧补偿网络；其中，一次侧补偿网络与旋转变压器中的固定绕组相连接，形成单相输入；三个二次侧补偿网络分别与旋转变压器中的旋转绕组相连接，形成三相输出；
三相输出分别与三相交交变频电路相连接；三相交交变频电路与绕线电机转子的三相绕组直接连接；
控制系统中包括控制器1、控制器2和无线信息传输模块；
控制器1分别与电网、三相全桥电路和单相全桥电路相连接，能够采集一次侧电气量信息；其中，一次侧电气量信息包括电网的电压电流信号以及直流母线电压；
控制器2分别与三相交交变频电路和绕线电机转子相连接，能够采集二次侧电气量信息；其中，二次侧电气量信息包括绕线电机转子的电压电流、转子转速和转子转矩；
控制器1通过无线信息传输模块与控制器2进行通讯；
控制器1通过采集的一次侧电气量信息对三相全桥电路进行控制，使得直流母线电压保持稳定；另一方面结合控制器2反馈的二次侧电气量信息对单相全桥电路进行控制，使直流电变为具有不同占空比的高频交流电，达到控制传输功率的作用；
控制器2通过采集的二次侧电气量信息并结合控制器1反馈的一次侧电气量信息，对三相交交变频电路进行控制，为绕线电机转子提供低频交流电，使绕线电机转子能够稳定运行。


2.根据权利要求1所述的电机转子无线供电系统，其特征在于：三相交交变频电路由三相独立的全桥电路构成；每相全桥电路均由呈H桥结构连接的四个双向开关组成；每个双向开关由两个带有反并联二极管的开关管反向串联而成；三相交交变频电路、磁耦合谐振网络的三相输出以及绕线电机转子的三相转子绕组串联，构成主电路系统的二次侧。


3.根据权利要求1所述的电机转子无线供电系统，其特征在于：三相交交变频电路中的每相交交变频电路均包括两个反并联的H桥，每个H桥均包括四个开关管；三相交交变频电路、磁耦合谐振网络的三相输出以及绕线电机转子的三相转...

【专利技术属性】
技术研发人员：金平，常岭，卢意，夏志鹏，田煜，窦卓慧，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32