CN202889279U - 无刷双馈电机励磁控制装置 - Google Patents

Abstract

一种无刷双馈电机励磁控制装置，其中：包括PWM整流单元、电流传感器、平波电抗器、接触器、励磁控制器与逆变单元、操作与显示单元、储能装置、BOOST电抗器、软启动电路，本实用新型使得无刷双馈电机在发电运行状态下，无刷转子转速快速变化以及负载条件在较大范围内变化时，该系统能够始终保持变速变载恒频恒压发电；无刷双馈电机在电动运行状态下，控制装置能够通过励磁控制，完成对无刷转子转速快速调整，实现同步运行、异步运行和双馈调速等多种电动运行方式。当负载条件在较大范围内变化时，该系统能够始终保持同步电机硬的机械特性。

Description

无刷双馈电机励磁控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种电机自动控制装置，特别是涉及一种用于无刷双馈电机的自动控制装置。

背景技术

目前，无刷双馈电机设计及其控制系统的研究已经进行几十年，但是仍未解决应用中一些关键问题，如无刷双馈电机控制装置模型复杂，没有现成的控制算法和控制装置拓扑结构，现有控制系统对于无刷双馈电机正常运行时负载的突增突减以及无刷转子转速的变化不能做出快速反应，在负载条件较大范围内变化时，不能够始终保持同步电机硬的机械特性，不具有运行效率高、节能、稳定性好、可靠性高的特点。需要人工介入，不是真正意义上的闭环控制系统。

现有的控制系统既不能保证无刷双馈电机在发电运行状态下，始终保持恒频恒压发电，也不能保证在电动运行状态下，实现无刷转子转速快速调整。所以至今在全世界还没有产业化的报道。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种无刷双馈电机励磁控制装置，解决无刷双馈电机的控制装置结构复杂，功能单一，适应性差的技术问题。

本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置，其中：包括PWM整流单元、电流传感器、平波电抗器、接触器、励磁控制器与逆变单元、操作与显示单元、储能装置、BOOST电抗器、软启动电路；

PWM整流单元包括通过数据接口连接的第一电压检测电路，第一电压检测电路的信号输入端作为PWM整流单元的第二三相输入端，PWM整流单元还包括第一三相输入端；

励磁控制器与逆变单元包括励磁控制器、逆变单元、电流检测电路和第二电压检测电路，励磁控制器与编码器间通过数据接口连接，接收编码器采集的双馈电机角速度信号和角位移信号，励磁控制器与逆变单元间通过数据接口连接，励磁控制器向逆变单元发送PWM信号，逆变单元的正、负电流输入端连接正、负直流母线，逆变单元的三相输出端作为励磁控制器与逆变单元的第一三相输出端，电流检测电路和第二电压检测电路分别通过数据接口与励磁控制器连接，第二电压检测电路的信号输入端作为励磁控制器与逆变单元的第一三相输入端；

PWM整流单元的第一三相输入端顺序串联BOOST电抗器、软启动电路、平波电抗器后连接无刷双馈电机的功率绕组，PWM整流单元的直流输出端通过正、负极直流母线连接励磁控制器与逆变单元的直流输入端，励磁控制器与逆变单元的第一三相输出端连接无刷双馈电机的控制绕组，PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联储能装置；

励磁控制器与逆变单元的第一三相输入端接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号，励磁控制器与逆变单元通过电流检测电路接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一三相输入端间三相线路的电流变化信号；

PWM整流单元的第二三相输入端接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一三相输入端间三相线路的电压变化信号；

励磁控制器与逆变单元与操作与显示单元间通过串行通信端口连接；接触器一端连接在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上，另一端与电网、电力负载、电源或局域电网中的一种相连接。

所述BOOST电抗器直接串联在PWM整流单元和软启动电路之间，或者与非容性元件串联在PWM整流单元和软启动电路之间。

还包括隔离变压器，串联在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上。

还包括后备直流电源，并联在PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上。

一种控制装置为所述PWM整流单元的第一三相输入端引出的三相线路依次通过BOOST电抗器、软启动电路、隔离变压器、电流传感器、平波电抗器与无刷双馈感应发电机的三相功率绕组相连，PWM整流单元的第二三相输入端引出的三相线路直接连接在软启动电路与隔离变压器之间；PWM整流单元的直流输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变的正、负输入端对应相连；在PWM整流单元和励磁控制器与逆变单元之间的正负母线上并联接有储能装置；

励磁控制器与逆变单元的第一三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应发电机DFIG的控制绕组相连，励磁控制器与逆变单元的第一三相输入端引出的三相线路直接连接在隔离变压器电流传感器之间的三相线路上；三相线路上的电流传感器的输出端与电流检测电路的输入端连接；

操作与显示单元和励磁变频器与逆变单元之间通过CAN串行通讯相连；编码器与无刷双馈电机无刷转子相连；接触器的一端连接在隔离变压器与电流传感器之间的三相线路上，接触器另一端与电网或电力负载相连，原动机利用机械传动方式通过升速箱与无刷双馈发电机DFIG连接，原动机为无刷双馈发电机提供发电运行所需动力；

在PWM整流单元和励磁控制器与逆变单元之间的正负母线上并联后备直流电源，在后备直流电源的输出正母线上还串有由一个接触器K和一个电阻R构成的小型软启动电路。

另一种控制装置为所述PWM整流单元的第一三相输入端引出的三相线路依次通过BOOST电抗器、软启动电路、隔离变压器、平波电抗器、电流传感器与无刷双馈感应电动机DFIM的三相功率绕组相连，PWM整流单元的第二三相输入端引出的三相线路直接连接在软启动电路与隔离变压器之间；PWM整流单元的直流输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变的正、负输入端对应相连；在PWM整流单元和励磁控制器与逆变单元之间的正负母线上并联储能装置；

励磁控制器与逆变单元的第一三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应电动机DFIM的控制绕组相连，励磁控制器与逆变单元的第一三相输入端引出的三相线路直接连接在隔离变压器与平波电抗器之间的三相线路上；三相线路上的电流传感器的输出端与电流检测电路的输入端连接；

操作与显示单元和励磁变频器与逆变单元之间通过CAN串行通讯相连；编码器与无刷双馈电机无刷转子相连；接触器的一端连接在隔离变压器与平波电抗器之间的三相线路上，接触器另一端与电网或电源相连，无刷双馈感应电动机通过机械传动方式与动力负载连接，为动力负载提供动力。

所述储能装置，可以是配有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。

所述软启动电路采用三相软启动和两相软启动两种连接方式中的一种，

三相软启动电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4和一个三触点接触器K2构成，电阻R2、电阻R3、电阻R4分别串联在三条三相交流线路上，K2接触器的三个触点分别与电阻R2、电阻R3、电阻R4并联；

两相软启动电路由两个电阻R5、电阻R6和一个双触点接触器K3构成，电阻R5、电阻R6串联在三相交流线路任意两条上，双触点接触器K3的两个触点分别与电阻R5、电阻R6并联。

所述隔离变压器的连接方式为：

一次侧为角形连接，二次侧为星形连接；

或一次侧为角形连接，二次侧为角形连接；

或一次侧为星形连接，二次侧为角形连接；

或一次侧为星形连接，二次侧为星形连接。

所述电流传感器采用霍尔电流传感器，可以采用两个电流传感器对三相线路中的任意两相线路分别采集信号，或采用三个电流传感器对三相线路中的三相线路分别采集信号。

本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置既可以应用于无刷双馈电机的发电运行技术上，还可以应用于无刷双馈电机的电动运行技术上。使得无刷双馈电机在发电运行状态下，控制装置在无刷转子转速快速变化以及负载条件在较大范围内变化时，能够始终保持变速变载恒频恒压发电；无刷双馈电机在电动运行状态下，控制装置能够通过励磁控制，完成对无刷转子转速快速调整，实现同步运行、异步运行和双馈调速等多种电动运行方式。并且不管电机是在发电运行或电动运行状态下，当负载条件在较大范围内变化时，该系统能够始终保持同步电机硬的机械特性，具有运行效率高、节能、稳定性好、可靠性高的特点。

本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置优越性和技术效果在于：

(1)提供了无刷双馈电机控制系统结构和方法；

(2)能够解决负载突变时，励磁变流器跳闸问题；

(3)在负载发生突变时，提高了系统稳定性，在任何负载、任何工况下系统都能够保持稳定；

(4)解决了低电压的穿越问题，较之前的无刷双馈发电系统有革命性的进步；

(5)由于该系统可以应用于任何基于无刷双馈电机的数学模型建立的闭环控制系统，因此系统可以对正常运行时负载的突增突减以及无刷转子转速的变化快速做出反应。

可以实现对无刷双馈电机在各种工况下的精确控制。

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置实施例1与无刷双馈感应发电机的拓扑结构示意图；

图2为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置实施例2与无刷双馈感应电动机的拓扑结构示意图；

图3为本发明的无刷双馈电机励磁控制装置实施例1应用于风力发电机发电运行时的拓扑结构示意图；

图4为本发明的无刷双馈电机励磁控制装置实施例1应用于轴带发电机发电运行时的拓扑结构示意图；

图5为本发明的无刷双馈电机励磁控制装置实施例2应用于动力电动机电动运行时的拓扑结构示意图；

图6为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中软启动电路实施例1的连接结构示意图；

图7为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中软启动电路实施例2的连接结构示意图；

图8为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中后备直流电源实施例1的连接结构示意图；

图9为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中后备直流电源实施例2的连接结构示意图；

图10为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例1的连接结构示意图；

图11为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例2的连接结构示意图；

图12为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例3的连接结构示意图；

图13为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例4的连接结构示意图；

图14为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中电流传感器实施例1的连接结构示意图；

图15为本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中电流传感器实施例2的连接结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置，包括PWM整流单元、电流传感器、平波电抗器、接触器、励磁控制器与逆变单元、操作与显示单元、储能装置、BOOST电抗器、软启动电路；

PWM整流单元包括通过数据接口连接的第一电压检测电路，第一电压检测电路的信号输入端作为PWM整流单元的第二三相输入端，PWM整流单元还包括第一三相输入端；

励磁控制器与逆变单元包括励磁控制器、逆变单元、电流检测电路和第二电压检测电路，励磁控制器与编码器间通过数据接口连接，接收编码器采集的双馈电机角速度信号和角位移信号，励磁控制器与逆变单元间通过数据接口连接，励磁控制器向逆变单元发送PWM信号，逆变单元的正、负电流输入端连接正、负直流母线，逆变单元的三相输出端作为励磁控制器与逆变单元的第一三相输出端，电流检测电路和第二电压检测电路分别通过数据接口与励磁控制器连接，第二电压检测电路的信号输入端作为励磁控制器与逆变单元的第一三相输入端；

PWM整流单元的第一三相输入端顺序串联BOOST电抗器、软启动电路、平波电抗器后连接无刷双馈电机的功率绕组，PWM整流单元的直流输出端通过正、负极直流母线连接励磁控制器与逆变单元的直流输入端，励磁控制器与逆变单元的第一三相输出端连接无刷双馈电机的控制绕组，PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联储能装置；

励磁控制器与逆变单元的第一三相输入端接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号，励磁控制器与逆变单元通过电流检测电路接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一三相输入端间三相线路的电流变化信号；

PWM整流单元的第二三相输入端接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一三相输入端间三相线路的电压变化信号；

励磁控制器与逆变单元与操作与显示单元间通过串行通信端口连接；接触器一端连接在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上，另一端与电网、电力负载、电源或局域电网中的一种相连接。

BOOST电抗器直接串联在PWM整流单元和软启动电路之间，或者与非容性元件串联在PWM整流单元和软启动电路之间。

还包括隔离变压器，串联在平波电抗器与软启动电路间的三相线路上。

还包括后备直流电源，并联在PWM整流单元的直流输出端连接的正、负极直流母线上。

如图1所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置实施例1中，如图1所示，当无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG进行发电运行时，无刷双馈电机励磁控制装置连接于一个无刷双馈轴带发电机DFIG的控制绕组3及其功率绕组4、后备直流电源1、编码器9、电网或电力负载、原动机和升速箱之间。无刷双馈电机励磁控制装置由PWM整流单元2、励磁控制器与逆变单元10、储能装置12、BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、平波电抗器6、电流传感器5、接触器7、操作与显示单元11等组成；

PWM整流单元2包括通过数据接口连接的第一电压检测电路17，第一电压检测电路17的信号输入端作为PWM整流单元2的第二三相输入端，PWM整流单元2还包括第一三相输入端；

励磁控制器与逆变单元10包括励磁控制器、逆变单元、电流检测电路19和第二电压检测电路18，励磁控制器与编码器9间通过数据接口连接，接收编码器9采集的双馈电机角速度信号和角位移信号，励磁控制器与逆变单元间通过数据接口连接，励磁控制器向逆变单元发送PWM信号，逆变单元的直流电流输入端连接正、负直流母线，逆变单元的三相输出端作为励磁控制器与逆变单元10的第一三相输出端，电流检测电路19和第二电压检测电路18分别通过数据接口与励磁控制器连接，第二电压检测电路18的信号输入端作为励磁控制器与逆变单元10的第一三相输入端；

PWM整流单元2的第一三相输入端引出的三相线路依次通过BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、电流传感器5、平波电抗器6与无刷双馈感应发电机DFIG的三相功率绕组4相连，PWM整流单元2的第二三相输入端引出的三相线路直接连接在软启动电路14与隔离变压器15之间；PWM整流单元2的直流输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变10的正、负输入端对应相连；在PWM整流单元2和励磁控制器与逆变单元10之间的正负母线上并联接有储能装置12；

励磁控制器与逆变单元10的第一三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应发电机DFIG的控制绕组3相连，励磁控制器与逆变单元10的第一三相输入端引出的三相线路则直接连接在隔离变压器15与电流传感器5之间的三相线路上；三相线路上的电流传感器5的输出端与电流检测电路19的输入端连接；

操作与显示单元11和励磁变频器与逆变单元10之间通过CAN串行通讯的方式相连；编码器9与无刷双馈电机无刷转子相连；接触器7的一端连接在隔离变压器15电流传感器5之间的三相线路上，接触器7另一端与电网或电力负载相连，原动机利用机械传动方式通过升速箱与无刷双馈发电机DFIG连接，原动机为无刷双馈发电机提供发电运行所需动力；

在PWM整流单元2和励磁控制器与逆变单元10之间的正负母线上还并联接有后备直流电源1，同时在后备直流电源1的输出正母线上还串有由一个接触器K1和一个电阻R1构成的小型软启动电路。

如图2所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置实施例2中，当无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM进行电动运行时，无刷双馈电机励磁控制装置连接于一个无刷双馈电动机DFIM的控制绕组3及其功率绕组4、后备直流1（该单元为可选元件）、编码器9、电网或电源、动力负载之间。无刷双馈电机励磁控制装置由PWM整流单元2、励磁控制器与逆变单元10、储能装置12、BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、平波电抗器6、电流传感器5、接触器7、操作与显示单元11等组成；

PWM整流单元2包括通过数据接口连接的第一电压检测电路17，第一电压检测电路17的信号输入端作为PWM整流单元2的第二三相输入端，PWM整流单元2还包括第一三相输入端；

励磁控制器与逆变单元10包括励磁控制器、逆变单元、电流检测电路19和第二电压检测电路18，励磁控制器与编码器9间通过数据接口连接，接收编码器9采集的双馈电机角速度信号和角位移信号，励磁控制器与逆变单元间通过数据接口连接，励磁控制器向逆变单元发送PWM信号，逆变单元的直流电流输入端连接正、负直流母线，逆变单元的三相输出端作为励磁控制器与逆变单元10的第一三相输出端，电流检测电路19和第二电压检测电路18分别通过数据接口与励磁控制器连接，第二电压检测电路18的信号输入端作为励磁控制器与逆变单元10的第一三相输入端；

PWM整流单元2的第一三相输入端引出的三相线路依次通过BOOST电抗器13、软启动电路14、隔离变压器15、平波电抗器6、电流传感器5与无刷双馈感应电动机DFIM的三相功率绕组4相连，PWM整流单元2的第二三相输入端引出的三相线路直接连接在软启动电路14与隔离变压器15之间；PWM整流单元2的直流输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变10的正、负输入端对应相连；在PWM整流单元2和励磁控制器与逆变单元10之间的正负母线上并联接有储能装置12；

在PWM整流单元和励磁控制器与逆变单元之间的正负母线上还可以并联接入后备直流电源1作为可选部件，可以实现突然停电时电动机的平稳停车；

励磁控制器与逆变单元10的第一三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应电动机DFIM的控制绕组3相连，励磁控制器与逆变单元10的第一三相输入端引出的三相线路直接连接在隔离变压器15与平波电抗器6之间的三相线路上；三相线路上的电流传感器5的输出端与电流检测电路19的输入端连接；

操作与显示单元11和励磁变频器与逆变单元10之间通过CAN串行通讯的方式相连；编码器9与无刷双馈电机无刷转子相连；接触器7的一端连接在隔离变压器15与平波电抗器6之间的三相线路上，接触器7另一端与电网或电源相连，无刷双馈感应电动机DFIM通过机械传动方式与动力负载连接，为动力负载提供动力。

如图3所示，无刷双馈电机在风力发电领域主要是将风力发电产生的电能供给电网，在本发明实施例1的基础上，将原动机更换为风力发动机，将电力负载更换为电网，无刷双馈电机励磁控制装置就可以应用于风力发电系统。

如图4所示，无刷双馈电机在轴带发电领域主要是将轴带发电产生的电能供给局域电网或电力负载，比如说船舶轴带发电，在本发明实施例1的基础上，将原动机16更换为轴带发动机，无刷双馈电机励磁控制装置就可以应用于轴带发电系统。

如图5所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置实施例5中，三相交流电网作为电动机运行所需电源较为常见，在本发明实施例2的基础上，将电源更换为电网，无刷双馈电机励磁控制装置就可以应用于电网供电进行电动运行，利用三相交流电网作为电动机运行所需电源。

在以上实施例中，后备直流电源1的作用是当无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG进行发电运行时，后备直流电源1为无刷双馈感应发电机DFIG的发电运行起励提供励磁电流，在无刷双馈发电机DFIG发电运行平稳后，还可以通过再充电的方式部分储存发电过程中电路中的多余电能。当无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM进行电动运行时，后备直流电源1的作用可以使无刷双馈感应电动机DFIM在电源突然断电的情况下平稳停车，减小因工艺过程突然中断造成的原材料损失，避免设备的损坏。如果省略后备直流电源1及其连接电路，不会影响无刷双馈感应电动机DFIM的正常电动运行。

PWM整流单元2采用了基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）构成的三相全桥整流电路。用于调节所包括的PWM整流器三相输入端的电流波形，减小总电流谐波畸变（THDi），减小谐波失真，提高功率因数。使总功率因数接近1，进而减小电机损耗，提高无刷双馈电机的有功功率输出能力。PWM整流单元2用于PWM斩波的通断调制电力半导体器件还可以采用可控硅整流器（SCR）、门极可关断器件（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（PowerMOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、对称门极换流晶闸管（SGCT）等多种器件。PWM整流单元控制逻辑可以采用电压定向控制、虚拟磁链定向控制、基于电压的直接功率控制、基于虚拟磁链的直接功率控制等控制策略中的一种。

PWM整流单元2与BOOST电抗器13共同构成了三相PFC功率因数校正电路，该三相PFC可以调节PWM整流器三相输入端的电流波形，使输入电流平均值自动跟随全波电压基准，呈正弦波，且相位差为零，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现其总功率因数为1，减小了总电流谐波畸变（THD），减小谐波失真，提高功率因数,进而减小电机损耗，提高了无刷双馈电机的有功功率输出能力。输出电压恒定，实现单位功率因数运行，还能够实现电能回馈电网，使输出电压为近似平滑的直流输出电压。最终将无刷双馈电机功率绕组4端的三相交流电整流成近似平滑的直流电供给直流正负母线。

第一电压检测电路17，作用是通过实时检测无刷双馈电机功率绕组4端的电压，并跟踪其幅值，使PWM整流单元2调整直流正负母线的整流电压。作为PWM整流单元2的信号输入，第一电压检测电路17为PWM整流单元2输入PWM信号波，达到调节PWM整流器三相输入端的电流波形，调制PWM输出脉宽的目的；

BOOST电抗器13是利用其储能作用升压，使其直流侧电压高于交流侧电压，利用BOOST电抗器13中电流不能突变的特性来抑制PWM整流单元2中用于PWM斩波的通断调制电力半导体器件快速关断、开启过程中瞬间突变电流的冲击，还能够保护无刷双馈电机励磁控制装置的动态稳定和热稳定，同时它还是PWM整流单元三相PFC功率因数校正技术的外拓元件。BOOST电抗器直接串联在PWM整流单元和软启动电路之间，或者与非容性元件串联在PWM整流单元和软启动电路之间。

励磁控制器与逆变单元10中励磁控制器的作用是基于无刷双馈电机的的数学模型采用转速、电流双闭环控制算法，利用采用标量控制、直接转矩控制、矢量控制、模糊控制、PID神经网络控制等控制策略，根据无刷双馈电机编码器9反馈的电机角速度和角位移信号、电流检测电路19检测的电流信号、第二电压检测电路18检测的电压信号，向逆变单元输出PWM励磁信号，实现根据控制绕组三相电流幅值调节控制逆变单元输出电流的幅值大小；根据控制绕组电流角频率调节控制逆变单元输出电流的输出频率，控制电流方向。从而通过电压、频率、电流及其方向实现对无刷双馈电机的控制。逆变单元根据励磁控制器给定的励磁信号，将直流正负母线上的直流电逆变为幅值、频率、相序可调的三相交流电，并提供给无刷双馈电机的控制绕组3。电流检测电路19连接无刷双馈电机功率绕组4端的电流传感器5，将电流传感器5检测到的电流信息提供给励磁控制器，用于检测负载电流及实现前馈控制。第二电压检测电路18将无刷双馈电机功率绕组4端电压幅值信息提供给励磁控制器。

储能装置12动态地存储和输出电能，使PWM整流单元直流侧呈低阻抗的电压源特性。在无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG发电运行时，可以通过逆变单元将储存的直流电能逆变为三相交流电为无刷双馈感应发电机DFIG的发电运行进行起励，在发电机起励完成后，还能存储发电机发电供应电网或电力负载后的多余电能，并且可以在需要提高发电机DFIG控制绕组3端的电压时，将存储的电能回馈到直流正负母线上；在无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM电动运行时，根据动力负载变化，需要适时地调节无刷双馈电动机DFIM控制绕组3端的电压，所以励磁控制器与逆变单元10会根据需要从直流正负母线上获取所需电能，此时储能装置12正好能够动态的存储余额电能或输出缺额电能。尤其是在突加、突卸负载时，励磁功率会发生突变，储能装置很好地解决了这一问题，提高系统的鲁棒性。

编码器9为磁编码器或光电编码器，在无刷双馈电机运转过程中测量无刷双馈电机的旋转速度，并反馈给励磁控制器。

软启动电路14，按需要闭合软启动电路14中的接触器K2以减小BOOST电抗器13输入端的启动冲击电流避免电气冲击损害设备。

隔离变压器15为可选元件，若不选用隔离变压器15，无刷双馈电机励磁控制装置仍能正常工作，若选用隔离变压器15有利于使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，从而抑制高频杂波传入控制回路，隔离变压器使二次对地悬浮，也使该回路隔离，能够增大绝缘，起到保护、防雷、滤波、保护人身安全的作用。

操作与显示11和励磁变频器与逆变单元10之间通过串行通讯的方式相连，该通讯方式可以是Canbus通讯、Modbus通讯、RS485通讯、RS232通讯等通讯方式中的一种。它的作用是负责和励磁控制器部分进行通讯，用于对励磁控制器部分参数设置、参数显示如输出电压、输出频率、输出功率等。

电流传感器5为霍尔电流传感器，通过实时检测电机功率端三相交流线路中的电流，用于调节励磁控制器部分的励磁信号输出。

平波电抗器6，用于抑制三相交流电中的有害纹波，同时也能增大短路电阻，限制短路电流，并可减小因交流电压下降引起逆变器换相失败的机率。

接触器7，为交流接触器，在无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM电动运行时，完成将电网或电源接入；无刷双馈电机作为无刷双馈感应发电机DFIG发电运行时，完成将电网或电力负载接入。可以是空气式电磁接触器、真空接触器、半导体接触器、永磁接触器中的一种。

原动机利用机械传动如连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴等方式通过升速箱为无刷双馈感应发电机DFIG的发电运行提供原动力。无刷双馈感应电动机DFIM通过机械传动如连轴、皮带、齿轮、链条、曲轴等方式为动力负载提供机械动力。原动机可以是热力发动机、水力发动机、风力发动机、和电动机中的一种。所述无刷双馈电机作为无刷双馈感应电动机DFIM电动运行时，电力来源是三相交流电网，或是三相交流发电机。

如图6所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中软启动电路实施例1中，三相软启动电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4和一个三触点接触器K2构成，电阻R2、电阻R3、电阻R4分别串联在三条三相交流线路上，K2接触器的三组触点分别与电阻R2、电阻R3、电阻R4并联。

如图7所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中软启动电路实施例2中，两相软启动电路由两个电阻R5、电阻R6和一个双触点接触器K3构成，电阻R5、电阻R6可以串联在三相交流线路任意两条上，双触点接触器K3的两组触点分别与电阻R5、电阻R6并联。

如图8所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中后备直流电源实施例1中，采用干电池、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等种类之一的电池或电池组提供后备直流电。如图9所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中后备直流电源实施例2中，采用交流UPS电源经过整流单元整流后的直流电提供后备直流电。

如图10所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例1中，一次侧为角形连接，二次侧为星形连接。如图11所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例2中，一次侧为角形连接，二次侧为角形连接。

如图12所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例3中，一次侧为星形连接，二次侧为角形连接。

如图13所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中隔离变压器实施例4中，一次侧为星形连接，二次侧为星形连接。

根据霍尔基夫电流定律iu+iv+iw=0，只要测出三相交流线路上任意两相的电流,就能计算出第三相电流大小。

如图14所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中电流传感器实施例1中，三相线路上分别串联有三个电流传感器5，每个电流传感器5单独输出采集的信号。

如图15所示，本实用新型无刷双馈电机励磁控制装置中电流传感器实施例2中，三相线路的任意两条线路上分别串联有两个电流传感器5，每个电流传感器5单独输出采集的信号。

利用本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置起励的控制过程：

（1）无刷双馈电机作为发电机时，原动机通过机械传动的方式为其提供原动力，后备直流电源和储能装置提供励磁电流来源，直流正负母线上的直流电能通过励磁控制器与逆变单元提供幅值、频率、相序可调的三相交流电，作为控制绕组的励磁电流，若此时接触器闭合接通电力负载，则为带载起励，帯载起励时，储能装置提供带载启动时的瞬间高功率、大电流，若此时接触器断开不接通电力负载，则为空载起励；

（2）无刷双馈电机作为电动机时，闭合接触器接通电网或电源，可实现异步电动运行、同步电动运行、双馈调速等多种电动运行方式。

异步电动运行：当功率绕组接三相交流电，通过调节励磁控制器提供给功率绕组电流的大小，就可以改变电机转速。

同步电动运行：当功率绕组接三相交流电，通过调节控制绕组的频率为零，并且励磁控制器需要为控制绕组提供用于励磁的直流电，电机运转于三相交流电的频率下，此时电机的转速就是自然同步转速，此时电机进行的是自然同步电动运行；当亚同步速电动运行是，部分转差功率经励磁控制器与逆变单元回馈到正负直流母线上，给储能装置或后备直流电源充电；当超同步速电动运行时，功率绕组和控制绕组电源均向电机转轴输送有功功率。

双馈调速：当电机功率绕组接三相交流电网，控制绕组接励磁变频器部分，通过改变励磁控制器部分的输出频率，即可调节电机转速，通过改变控制绕组的供电频率以及功率绕组和控制绕组的相序，可使电机的转速高于或低于同步速度。

利用本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置恒频发电方法：

无刷双馈电机作为发电机发电运行时，励磁控制器根据编码器测得的原动机转速，实时调节逆变单元的输出电压频率使无刷双馈电机输出的三相交流电频率保持在50Hz/60Hz以及其他用户期望的频率。逆变单元的输出电压频率正比于原动机转速和无刷双馈发电机DFIG转速的差，当原动机转速低于无刷双馈发电机DFIG同步时速时，励磁控制器控制逆变单元输出反相序；当原动机转速高于无刷双馈发电机DFIG同步时速时，励磁控制器控制逆变单元输出正相序；当原动机转速等于无刷双馈发电机DFIG同步速度时，励磁控制器控制逆变单元输出频率为0Hz，实现无刷双馈电机励磁控制装置控制无刷双馈电机实现以同步转速频率发电。

利用本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置恒压发电方法：

无刷双馈电机作为发电机DFIG发电运行时，励磁控制器根据第二电压检测电路对应的无刷双馈电机功率绕组输出电压值和当前励磁电流频率，实时调节逆变单元的输出电压幅值，使无刷双馈电机功率绕组输出交流电压有效值维持在380V或其他用户期望的电压值。

利用本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置电动调速方法：

无刷双馈电机作为电动机DFIM电动运行时，通过调节控制绕组的频率，可以很方便的调节电机转速。当控制绕组频率为0Hz时，并且励磁控制器需要为控制绕组提供用于励磁的直流电，电机运转于三相交流电的频率下，此时电机转速称为自然同步转速；当励磁控制器控制逆变单元输出反相序时，电机转速低于自然同步转速时称为亚同步转速，当励磁控制器控制逆变单元输出正相序时，电机转速高于自然同步转速时称为超同步转速；当控制绕组频率一定时，在降低控制绕组电压时，此时电机自然同步转速降低，在当提高控制绕组电压时，此时电机自然同步转速提高。

利用本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置过压保护方法：

当原动机轴带牵引无刷双馈发电机DFIG作发电运行时，直流正负母线电压升高时，直流正负母线将自动为储能装置充电，使直流母线电压不至于升高影响逆变单元工作，同时有效地节约能源。

利用本实用新型的无刷双馈电机励磁控制装置人机交互方法：

为便于装置得到有效的维护，用户可通过人机交互界面方便地设置装置参数，同时用户可以方便地通过人机交互界面观测装置运行参数，如输出电压、输出频率、负载电流等。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 (10)

1.一种无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：包括PWM整流单元（2）、电流传感器（5）、平波电抗器（6）、接触器（7）、励磁控制器与逆变单元（10）、操作与显示单元（11）、储能装置（12）、BOOST电抗器（13）、软启动电路（14）；

PWM整流单元（2）包括通过数据接口连接的第一电压检测电路（17），第一电压检测电路（17）的信号输入端作为PWM整流单元（2）的第二三相输入端，PWM整流单元（2）还包括第一三相输入端；

励磁控制器与逆变单元（10）包括励磁控制器、逆变单元、电流检测电路（19）和第二电压检测电路（18），励磁控制器与编码器（9）间通过数据接口连接，接收编码器（9）采集的双馈电机角速度信号和角位移信号，励磁控制器与逆变单元间通过数据接口连接，励磁控制器向逆变单元发送PWM信号，逆变单元的正、负电流输入端连接正、负直流母线，逆变单元的三相输出端作为励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输出端，电流检测电路（19）和第二电压检测电路（18）分别通过数据接口与励磁控制器连接，第二电压检测电路（18）的信号输入端作为励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输入端；

PWM整流单元（2）的第一三相输入端顺序串联BOOST电抗器（13）、软启动电路（14）、平波电抗器（6）后连接无刷双馈电机的功率绕组（4），PWM整流单元（2）的直流输出端通过正、负极直流母线连接励磁控制器与逆变单元（10）的直流输入端，励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输出端连接无刷双馈电机的控制绕组（3），PWM整流单元（2）的直流输出端连接的正、负极直流母线上并联储能装置（12）；

励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输入端接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元的第一个三相输入端间三相线路的电压变化信号，励磁控制器与逆变单元（10）通过电流检测电路（19）接收无刷双馈电机的功率绕组与PWM整流单元（2）的第一三相输入端间三相线路的电流变化信号；

PWM整流单元（2）的第二三相输入端接收无刷双馈电机的功率绕组（4）与PWM整流单元（2）的第一三相输入端间三相线路的电压变化信号；

励磁控制器与逆变单元（10）与操作与显示单元间通过串行通信端口连接；接触器（7）一端连接在平波电抗器（6）与软启动电路（14）间的三相线路上，另一端与电网、电力负载、电源或局域电网中的一种相连接。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：所述BOOST电抗器（13）直接串联在PWM整流单元（2）和软启动电路（14）之间，或者与非容性元件串联在PWM整流单元（2）和软启动电路（14）之间。

3.根据权利要求2所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：还包括隔离变压器（15），串联在平波电抗器（6）与软启动电路（14）间的三相线路上。

4.根据权利要求3所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：还包括后备直流电源（1），并联在PWM整流单元（2）的直流输出端连接的正、负极直流母线上。

5.根据权利要求4所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：所述PWM整流单元（2）的第一三相输入端引出的三相线路依次通过BOOST电抗器（13）、软启动电路（14）、隔离变压器（15）、电流传感器（5）、平波电抗器（6）与无刷双馈感应发电机（DFIG）的三相功率绕组（4）相连，PWM整流单元（2）的第二三相输入端引出的三相线路直接连接在软启动电路（14）与隔离变压器（15）之间；PWM整流单元（2）的直流输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变（10）的正、负输入端对应相连；在PWM整流单元（2）和励磁控制器与逆变单元（10）之间的正负母线上并联接有储能装置（12）；

励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应发电机DFIG的控制绕组（3）相连，励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输入端引出的三相线路直接连接在隔离变压器（15）与电流传感器（5）之间的三相线路上；三相线路上的电流传感器（5）的输出端与电流检测电路（19）的输入端连接；

操作与显示单元（11）和励磁变频器与逆变单元（10）之间通过CAN串行通讯相连；编码器（9）与无刷双馈电机无刷转子相连；接触器（7）的一端连接在隔离变压器（15）与电流传感器（5）之间的三相线路上，接触器（7）另一端与电网或电力负载相连，原动机利用机械传动方式通过升速箱与无刷双馈发电机DFIG连接，原动机为无刷双馈发电机提供发电运行所需动力；

在PWM整流单元（2）和励磁控制器与逆变单元（10）之间的正负母线上并联后备直流电源（1），在后备直流电源（1）的输出正母线上还串有由一个接触器K（1）和一个电阻R（1）构成的小型软启动电路。

6.根据权利要求2所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：所述PWM整流单元（2）的第一三相输入端引出的三相线路依次通过BOOST电抗器（13）、软启动电路（14）、隔离变压器（15）、平波电抗器（6）、电流传感器（5）与无刷双馈感应电动机DFIM的三相功率绕组（4）相连，PWM整流单元（2）的第二三相输入端引出的三相线路直接连接在软启动电路（14）与隔离变压器（15）之间；PWM整流单元（2）的直流输出端正、负直流母线和励磁控制器与逆变（10）的正、负输入端对应相连；在PWM整流单元（2）和励磁控制器与逆变单元（10）之间的正负母线上并联储能装置（12）；

励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输出端引出的三相线路与无刷双馈感应电动机DFIM的控制绕组（3）相连，励磁控制器与逆变单元（10）的第一三相输入端引出的三相线路直接连接在隔离变压器（15）与平波电抗器（6）之间的三相线路上；三相线路上的电流传感器（5）的输出端与电流检测电路（19）的输入端连接；

操作与显示单元（11）和励磁变频器与逆变单元（10）之间通过CAN串行通讯相连；编码器（9）与无刷双馈电机无刷转子相连；接触器（7）的一端连接在隔离变压器（15）与平波电抗器（6）之间的三相线路上，接触器（7）另一端与电网或电源相连，无刷双馈感应电动机（DFIM）通过机械传动方式与动力负载连接，为动力负载提供动力。

7.根据权利要求1至6任一所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：所述储能装置（12），可以是配有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。

8.根据权利要求1至6任一所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：所述软启动电路（14）采用三相软启动和两相软启动两种连接方式中的一种，

三相软启动电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4和一个三触点接触器K2构成，电阻R2、电阻R3、电阻R4分别串联在三条三相交流线路上，K2接触器的三个触点分别与电阻R2、电阻R3、电阻R4并联；

两相软启动电路由两个电阻R5、电阻R6和一个双触点接触器K3构成，电阻R5、电阻R6串联在三相交流线路任意两条上，双触点接触器K3的两个触点分别与电阻R5、电阻R6并联。

9.根据权利要求3至6任一所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：所述隔离变压器（15）的连接方式为：

一次侧为角形连接，二次侧为星形连接；

或一次侧为角形连接，二次侧为角形连接；

或一次侧为星形连接，二次侧为角形连接；

或一次侧为星形连接，二次侧为星形连接。

10.根据权利要求1至6任一所述的无刷双馈电机励磁控制装置，其特征在于：所述电流传感器（5）采用霍尔电流传感器，采用两个电流传感器（5）对三相线路中的任意两相线路分别采集信号，或采用三个电流传感器（5）对三相线路中的三相线路分别采集信号。

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