CN203180817U - 一种基于无刷双馈电机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于无刷双馈电机的控制装置，所述无刷双馈电机用于包括控制绕组侧逆变器的独立发电系统，所述控制装置包括：电压外环控制器；与所述电压外环控制器的输出端连接的电流内环控制器；锁相环控制器；与所述电流内环控制器的输入端连接的三相-两相变换器；以及与所述电流内环控制器的输出端连接的两相-三相变换器。本实用新型通过采用电压外环控制器，从而可以通过控制绕组侧逆变器对独立电网的电压进行精确快速控制；同时本实用新型还采用了电流内环控制器，从而可以提高整个发电系统的快速响应性。另外，本实用新型还通过采用了锁相环控制器，从而可以通过控制绕组侧逆变器更好地稳定独立电网的输出频率。

Description

一种基于无刷双馈电机的控制装置

技术领域

本实用新型涉及电机控制领域，尤其涉及一种用于独立发电系统的基于无刷双馈电机的控制装置。

背景技术

众所周知，有刷双馈电机具有电机控制简单、制造技术成熟等优点，因此，在变速恒频发电系统中广泛应用交流励磁有刷双馈电机。然而，对于独立发电系统应用来说，由于对发电电压的控制以及对发电频率的控制尤为重要，因此，上述的有刷双馈电机由于控制精度不高而无法适用于这种独立发电系统；另外，由于有刷双馈电机存在电刷，容易损坏，因此，如果使用在偏远的地方或者风力发电系统中，则极其难以维护。

为了克服上述问题，现在越来越多的场合中开始采用与有刷双馈电机性能相当的无刷双馈电机，这种无刷双馈电机省去了电刷和滑环结构，因此具有维护方便、控制精度高、性能更加可靠等优点。另外，由于无刷双馈电机的定子绕组可以双馈，因此当作为交流调速电机时，仅须控制绕组即可提供滑差功率，从而大大减小了调速电机中变频器的容量，降低了系统成本；而且，通过选择合适的定转子极数即可以使同步转速非常低，因此特别适合用于风力、水力发电等。

鉴于上述情况，在独立发电系统中也开始采用这种无刷双馈电机，因此，现在迫切需要研发一种用于应用在独立发电系统中的无刷双馈电机的控制装置。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型旨在提供一种高性能、高控制精度、智能化的基于无刷双馈电机的控制装置，以精确控制采用无刷双馈电机的独立发电系统中控制绕组侧逆变器的输出电压和频率，进而控制独立电网的电压和频率。

本实用新型所述的一种基于无刷双馈电机的控制装置，所述无刷双馈电机用于包括控制绕组侧逆变器的独立发电系统，且该无刷双馈电机包括控制绕组和功率绕组，所述控制装置与所述控制绕组侧逆变器连接，所述控制装置包括：

电压外环控制器，其接收并将一外围输入的目标电网电压与一电网参考电压进行比较调节并输出一有功轴指令电流，其中，所述电网参考电压为通过一电压传感器采样到的三相电网反馈电压有效值的平均值；

与所述电压外环控制器的输出端连接的电流内环控制器，其一方面将所述有功轴指令电流与一有功轴反馈电流比较调节并输出一有功轴指令电压，另一方面接收并将一外围输入的无功轴指令电流与一无功轴反馈电流比较调节并输出一无功轴指令电压；

锁相环控制器，其一方面接收并将一外围输入的目标电网频率与一通过一频率传感器采样到的电网反馈频率累加转换为所述无刷双馈电机的机轴指令转速，并将该机轴指令转速与通过一转速传感器采样到的所述无刷双馈电机的机轴反馈转速进行比较调节并向所述控制绕组侧逆变器输出一电网指令频率，另一方面将所述电网指令频率转换为所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度；

与所述电流内环控制器的输入端连接的三相-两相变换器，其根据所述锁相环控制器输出的所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度，将通过一电流传感器采样到的三相所述控制绕组的反馈电流变换为所述有功轴反馈电流和无功轴反馈电流；以及

与所述电流内环控制器的输出端连接的两相-三相变换器，其根据所述锁相环控制器输出的所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度，将所述有功轴指令电压和无功轴指令电压一起变换并向所述控制绕组侧逆变器输出三相电网指令电压。

在上述的基于无刷双馈电机的控制装置中，所述电压外环控制器包括依次连接的：

比较所述目标电网电压和电网参考电压的第一加法器；以及

对所述第一加法器输出的比较结果进行PI调节并输出所述有功轴指令电流的第一PI调节器。

在上述的基于无刷双馈电机的控制装置中，

所述电流内环控制器包括依次连接的：

与所述第一PI调节器的输出端相连并比较所述有功轴指令电流和有功轴反馈电流的第二加法器；以及

对所述第二加法器输出的比较结果进行PI调节并输出所述有功轴指令电压的第二PI调节器；

所述电流内环控制器还包括依次连接的：

比较所述无功轴指令电流和无功轴反馈电流的第三加法器；以及

对所述第三加法器输出的比较结果进行PI调节并输出所述无功轴指令电压的第三PI调节器。

在上述的基于无刷双馈电机的控制装置中，

所述锁相环控制器包括：

将所述目标电网频率转换为目标电网角速度的第一乘法器；

将所述电网反馈频率转换为电网反馈角速度的第四乘法器；

所述锁相环控制器还包括依次连接的：

与所述第一乘法器以及第四乘法器的输出端相连并累加所述目标电网角速度和电网反馈角速度的第四加法器；

将所述第四加法器输出的累加结果转换为所述无刷双馈电机的机轴指令转速的第二乘法器；

比较所述无刷双馈电机的机轴指令转速和所述无刷双馈电机的机轴反馈转速的第五加法器；

对所述第五加法器输出的比较结果进行PI调节并向所述控制绕组侧逆变器输出所述电网指令频率的第四PI调节器；

将所述电网指令频率转换为所述控制绕组侧逆变器的指令角速度的第三乘法器；以及

将所述控制绕组侧逆变器的指令角速度转换为所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度并向所述三相-两相变换器以及两相-三相变换器输出所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度的积分器。

由于采用了上述的技术解决方案，本实用新型通过采用高精度、快速响应的电压外环控制器，从而可以通过控制绕组侧逆变器对独立电网的电压进行精确快速控制；同时本实用新型还采用了高精度、快速响应的电流内环控制器，从而可以提高整个发电系统的快速响应性。另外，本实用新型还通过采用了高精度的锁相环控制器，从而可以通过控制绕组侧逆变器更好地稳定独立电网的输出频率。

附图说明

图1是本实用新型的基于无刷双馈电机的控制装置中电压外环控制器、电流内环控制器以及两相-三相变换器的结构示意图；

图2是本实用新型的基于无刷双馈电机的控制装置中锁相环控制器的结构示意图；

图3是本实用新型的基于无刷双馈电机的控制装置中三相-两相变换器的结构示意图；

图4是采用本实用新型的基于无刷双馈电机的控制装置的独立发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。

请参阅图1-图4，本实用新型，即，一种基于无刷双馈电机的控制装置10，无刷双馈电机20（BDFM）用于包括控制绕组侧逆变器30的独立发电系统，且该无刷双馈电机20包括控制绕组和功率绕组（图中未示），控制装置10与控制绕组侧逆变器30连接。

下面对控制装置10的内部结构进行详细说明，该控制装置10包括电压外环控制器、电流内环控制器、锁相环控制器、三相-两相变换器4和两相-三相变换器5。

电压外环控制器接收并将一外围输入的目标电网电压与一电网参考电压V_refp进行比较调节并输出一有功轴指令电流i^* _dc，其中，目标电网电压即为独立发电系统中负载40所需的电压值，其可以是380V或者是400V，在图2所示的实施例中，目标电网电压为380V；电网参考电压V_refp为通过一电压传感器（图中未示）采样到的三相（A相、B相和C相）电网反馈电压有效值V_ap、V_bp、V_cp的平均值，即，V_refp=(V_ap+V_bp+V_cp)/3；

具体来说，电压外环控制器包括依次连接的第一加法器11和第一PI调节器12，其中：

第一加法器11比较目标电网电压和电网参考电压V_refp；

第一PI调节器12对第一加法器11输出的比较结果进行PI调节，并输出有功轴指令电流i^* _dc。

电流内环控制器一方面将有功轴指令电流i^* _dc与一有功轴反馈电流i_dc比较调节并输出一有功轴指令电压V^* _dc，另一方面接收并将一外围输入的无功轴指令电流i^* _qc与一无功轴反馈电流i_qc比较调节并输出一无功轴指令电压V^* _qc，其中，在本实施例中，无功轴指令电流i^* _qc取为0；

具体来说，电流内环控制器包括依次连接的第二加法器21和第二PI调节器22，以及依次连接的第三加法器23和第三PI调节器24，其中：

第二加法器21与第一PI调节器12的输出端连接，并比较有功轴指令电流i^* _dc和有功轴反馈电流i_dc；

第二PI调节器22对第二加法器21输出的比较结果进行PI调节，并输出有功轴指令电压V^* _dc；

第三加法器23比较无功轴指令电流i^* _qc和无功轴反馈电流i_qc；

第三PI调节器24对第三加法器23输出的比较结果进行PI调节，并输出无功轴指令电压V^* _qc。

锁相环控制器一方面接收并将一外围输入的目标电网频率与一通过一频率传感器（图中未示）采样到的电网反馈频率f_c累加转换为无刷双馈电机20的机轴指令转速w^* _r，并将该机轴指令转速w^* _r与通过一转速传感器（图中未示）采样到的无刷双馈电机20的机轴反馈转速w_r进行比较调节并输出一电网指令频率f^* _c，另一方面将电网指令频率f^* _c转换为控制绕组侧逆变器30的输出指令角度θ^* _c，其中，在图2所示的实施例中，目标电网频率为50Hz；

具体来说，锁相环控制器包括依次连接的第一乘法器31、第四加法器32、第二乘法器33、第五加法器34、第四PI调节器35、第三乘法器36以及积分器37，且第四加法器32还与一第四乘法器38连接，其中：

第一乘法器31将目标电网频率转换为目标电网角速度w^* _p，且该第一乘法器31的系数为2π，即，w^* _p=2π×50；

第四乘法器38将电网反馈频率f_c转换为电网反馈角速度w_c，且该第四乘法器38的系数为2π，即，w_c=2π×f_c；

第四加法器32累加目标电网角速度w^* _p和电网反馈角速度w_c；

第二乘法器33将第四加法器32输出的累加结果转换为无刷双馈电机20的机轴指令转速w^* _r，且该第二乘法器33的系数为1/(p_p+p_c)，即，w^* _r=(w^* _p+w_c)/(p_p+p_c)，其中，p_p为无刷双馈电机20的功率绕组极对数，p_c为无刷双馈电机20的控制绕组极对数；

第五加法器34比较无刷双馈电机20的机轴指令转速w^* _r和无刷双馈电机20的机轴反馈转速w_r；

第四PI调节器35对第五加法器34输出的比较结果进行PI调节，并向控制绕组侧逆变器30输出电网指令频率f^* _c；

第三乘法器36将电网指令频率f^* _c转换为控制绕组侧逆变器30的指令角速度w^* _c；

积分器37将控制绕组侧逆变器30的指令角速度w^* _c转换为控制绕组侧逆变器30的输出指令角度θ^* _c。

三相-两相变换器4根据锁相环控制器的积分器37输出的控制绕组侧逆变器30的输出指令角度θ^* _c，将通过一电流传感器（图中未示）采样到的三相（A相、B相和C相）控制绕组的反馈电流i_ac、i_bc、i_cc变换为有功轴反馈电流i_dc和无功轴反馈电流i_qc，并分别输出至第二加法器21和第三加法器23。

两相-三相变换器5根据锁相环控制器的积分器37输出的控制绕组侧逆变器30的输出指令角度θ^* _c，将第二PI调节器22和第三PI调节器24输出的有功轴指令电压V^* _dc和无功轴指令电压V^* _qc一起变换并输出三相电网指令电压V^* _ac、V^* _bc、V^* _cc，并输出至控制绕组侧逆变器30。

如图4所示，采用上述无刷双馈电机20以及基于该无刷双馈电机20的控制装置10的独立发电系统还包括：网侧逆变器50以及连接在控制绕组侧逆变器30和网侧逆变器50之间的母线电容60；其中：

无刷双馈电机20的定子（图中未示）依次通过接触器70和第一断路器80与负载40连接交换能量，无刷双馈电机20的控制绕组依次通过控制绕组侧逆变器30和第二断路器90与负载40连接交换能量，从而使能量能在从定子和控制绕组到负载40的两个通道中流动；

控制装置10主要用于采样电网电压、频率等以及目标电压、频率等，并根据采集的数据输出对应的指令电压和频率，从而控制控制绕组侧逆变器30的输出电压和频率，进而得到稳定的电网电压和频率；

控制绕组侧逆变器30主要用于通过调节以下三个量，来使定子输出的电压和频率稳定为目标电压和频率（在本实施例中，为380V、50Hz），即得到稳定的电网电压和频率：

1、根据负载40的情况（如负载40变重或变轻）调节励磁电流的幅值大小；

2、在控制装置10的控制下，为了保证输出电压的频率一定，根据不同的电机转速调整励磁电流的频率；

3、在控制装置10的控制下，根据电网频率相位改变励磁电流的相位（如果需要并网的话，则需要进行电网的相位的锁定）。

网侧逆变器50主要用于实现母线电压的稳定和能量的双向流动，即，如果无刷双馈电机20主轴处于超同步数运行时，无刷双馈电机20的控制绕组也处于发电状态，此时需要通过网侧逆变器50把这部分能量传送给电网，即发电状态；当无刷双馈电机20主轴处于亚同步数运行时，此时控制绕组吸收能量，需要通过网侧逆变器50把电网的电能传送给控制绕组，此时网侧逆变器50处于可控整流状态。

对于母线电容60，主要由于独立发电系统是一个小型的离网发电系统，为了使电网更加稳定，具有一定的抗突加负载能力，因此需要母线电容60来进行储能和平滑电网的功能；通常控制母线电压为恒定值。

上述独立发电系统还包括保护系统100，其用于对系统发出的电压、电流进行采集，并进行过压、过流等保护。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (4)

1.一种基于无刷双馈电机的控制装置，所述无刷双馈电机用于包括控制绕组侧逆变器的独立发电系统，且该无刷双馈电机包括控制绕组和功率绕组，所述控制装置与所述控制绕组侧逆变器连接，其特征在于，所述控制装置包括：

电压外环控制器，其接收并将一外围输入的目标电网电压与一电网参考电压进行比较调节并输出一有功轴指令电流，其中，所述电网参考电压为通过一电压传感器采样到的三相电网反馈电压有效值的平均值；

与所述电压外环控制器的输出端连接的电流内环控制器，其一方面将所述有功轴指令电流与一有功轴反馈电流比较调节并输出一有功轴指令电压，另一方面接收并将一外围输入的无功轴指令电流与一无功轴反馈电流比较调节并输出一无功轴指令电压；

锁相环控制器，其一方面接收并将一外围输入的目标电网频率与一通过一频率传感器采样到的电网反馈频率累加转换为所述无刷双馈电机的机轴指令转速，并将该机轴指令转速与通过一转速传感器采样到的所述无刷双馈电机的机轴反馈转速进行比较调节并向所述控制绕组侧逆变器输出一电网指令频率，另一方面将所述电网指令频率转换为所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度；

与所述电流内环控制器的输入端连接的三相-两相变换器，其根据所述锁相环控制器输出的所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度，将通过一电流传感器采样到的三相所述控制绕组的反馈电流变换为所述有功轴反馈电流和无功轴反馈电流；以及

与所述电流内环控制器的输出端连接的两相-三相变换器，其根据所述锁相环控制器输出的所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度，将所述有功轴指令电压和无功轴指令电压一起变换并向所述控制绕组侧逆变器输出三相电网指令电压。

2.根据权利要求1所述的基于无刷双馈电机的控制装置，其特征在于，所述电压外环控制器包括依次连接的：

比较所述目标电网电压和电网参考电压的第一加法器；以及

对所述第一加法器输出的比较结果进行PI调节并输出所述有功轴指令电流的第一PI调节器。

3.根据权利要求2所述的基于无刷双馈电机的控制装置，其特征在于，

所述电流内环控制器包括依次连接的：

与所述第一PI调节器的输出端相连并比较所述有功轴指令电流和有功轴反馈电流的第二加法器；以及

对所述第二加法器输出的比较结果进行PI调节并输出所述有功轴指令电压的第二PI调节器；

所述电流内环控制器还包括依次连接的：

比较所述无功轴指令电流和无功轴反馈电流的第三加法器；以及

对所述第三加法器输出的比较结果进行PI调节并输出所述无功轴指令电压的第三PI调节器。

4.根据权利要求1所述的基于无刷双馈电机的控制装置，其特征在于，

所述锁相环控制器包括：

将所述目标电网频率转换为目标电网角速度的第一乘法器；

将所述电网反馈频率转换为电网反馈角速度的第四乘法器；

所述锁相环控制器还包括依次连接的：

与所述第一乘法器以及第四乘法器的输出端相连并累加所述目标电网角速度和电网反馈角速度的第四加法器；

将所述第四加法器输出的累加结果转换为所述无刷双馈电机的机轴指令转速的第二乘法器；

比较所述无刷双馈电机的机轴指令转速和所述无刷双馈电机的机轴反馈转速的第五加法器；

对所述第五加法器输出的比较结果进行PI调节并向所述控制绕组侧逆变器输出所述电网指令频率的第四PI调节器；

将所述电网指令频率转换为所述控制绕组侧逆变器的指令角速度的第三乘法器；以及

将所述控制绕组侧逆变器的指令角速度转换为所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度并向所述三相-两相变换器以及两相-三相变换器输出所述控制绕组侧逆变器的输出指令角度的积分器。

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