[实用新型]同步电机的交流变频感应无刷励磁系统

说明书

技术领域

本发明涉及同步电机的一种无刷励磁系统。

背景技术

无刷同步电机一般采用交流励磁机提供励磁电源，通过旋转整流器实现主同步电机的无刷励磁。交流励磁机实质是一台电枢旋转的同步发电机，其输出的励磁功率受电机转速限制，功率密度不高，体积较大；且在无刷励磁的控制中，交流励磁机是一个惯性环节，影响了励磁控制的动态性能。采用旋转可控整流器可以提高励磁系统的动态性能，但使得转子电路复杂，可靠性降低。无刷励磁系统除了存在上述问题外，还存在以下问题：第一，变频调速同步电动机，包括具有永磁磁极的混合励磁同步电动机，在任何运行转速都需要励磁，但交流励磁机和谐波励磁输出的励磁功率都随转速的降低而降低，低速时输出的励磁功率明显不足，尤其是转速为零时没有励磁功率输出；第二，工频同步电动机需要解决起动和投励的问题，无刷励磁系统必须在转子上增加起动电阻和可控硅自动投励装置，使得转子电路复杂，可靠性降低，且同步电动机异步起动时电流大，会对电网产生冲击。第三，目前的无刷励磁系统运行时，需要增加转子励磁电流、位置和速度传感器，才能实现变频调速同步电动机无刷励磁的检测和控制以及转子绕组的故障检测和保护。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种交流变频感应无刷励磁系统，可广泛用于同步电机的无刷励磁，尤其是适用于同步电动机的无刷励磁。

本发明的交流变频感应无刷励磁系统由交流感应励磁机、变频励磁控制器和旋转整流器组成。交流感应励磁机的定子铁心和转子铁心的槽内分别安装有定子感应绕组和转子感应绕组；旋转整流器安装在转轴上，将转子感应绕组的感应交流电压变换成直流，向同步电机的励磁绕组供电；变频励磁控制器的供电电源取自外部电源，也可取自具有永磁磁极的同步电机电枢绕组。电机运行时，变频励磁控制器将供电电源的交流电转换成频率和幅值可调的交流电提供给定子感应绕组，实现同步电机的无刷励磁和及其控制。

本发明的交流感应励磁机定子感应绕组采用单相时，转子感应绕组采用多相绕组；定子感应绕组采用多相时，转子感应绕组可以采用多相绕组，也可以采用单相绕组；为了简化绕组和与之相连的逆变器和整流器，多相的交流感应绕组一般为三相绕组。

本发明的变频励磁控制器的主回路包括整流电路和逆变电路，整流电路可以采用单相，也可以采用三相，其输出电压可以是不可控的，也可以是可控的。逆变电路的相数与交流感应励磁机的定子感应绕组相同，一般采用脉宽调制变频逆变电路，可以将逆变电路的输出电压频率固定，仅仅控制逆变电路的输出电压的大小，也可以通过逆变电路调节定子感应绕组电压的大小和频率，都能够使交流感应励磁在任何运行转速条件下输出足够的励磁功率。此外，通过提高定子感应绕组运行的电流频率，不仅可以减小交流感应励磁机的体积，而且可以提高定子与转子感应绕组电流的相关性，从而改善励磁系统的检测与控制性能。

本发明的变频励磁控制器的控制回路具有定子磁链和转子电流观测器。其观测方法是：根据定子感应绕组电压和电流的检测值，通过积分求出定子感应绕组的磁链，然后根据定子的磁链方程，由定子感应绕组磁链和电流得到转子感应绕组电流，再通过滤波器由转子感应绕组电流的幅值求得励磁绕组的电流值。定子磁链和转子电流观测器可用于励磁系统转子电流的故障检测与保护。

当定子感应绕组采用多相绕组时，控制回路可以通过定子磁链和转子电流观测器，对定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，提高励磁控制的动态性能，满足变频调速电动机的励磁电流闭环控制的要求。当定子感应绕组采用多相绕组和转子感应绕组采用单相绕组时，转子感应绕组电流在定子正交坐标的瞬时值是转子转角的正弦和余弦函数。控制回路可以根据转子感应绕组电流与转子位置的关系，检测出转子的位置和转速。转子位置和转速观测器的观测方法有两种：第一种是将转子感应绕组电流在定子正交坐标的两个瞬时值相除，通过反正切函数求得转子位置的转角，再通过微分得到转子的转速；第二种是将转子感应绕组电流在定子正交坐标的瞬时值分别与观测器输出角度的正余弦函数相乘，然后根据两者之差通过闭环处理求得转子位置的转角和转子的转速。