[发明专利]一种变频变拓扑调速电机控制系统

说明书

本发明公开了一种变频变拓扑调速电机控制系统，包括整流逆变单元、可变拓扑电机和控制单元；可变拓扑电机包括多个绕组极相组和设置在各绕组极相组中的第一电力电子组件；控制单元包括与多绕组极相组相连的电压传感器和电流传感器、电压传感器和电流传感器相连的AD转换器以及与整流逆变单元相连的交流电量传感器和直流电量传感器；整流逆变单元包括整流单元、逆变单元和设置在逆变单元中的第二电力电子组件；整流逆变单元与可变拓扑电机相连，第一电力电子组件、AD转换器、交流电量传感器、直流电量传感器和第二电子电力组件均与中央控制芯片相连。优点是：通过电机和整流逆变单元的灵活配置，满足不同负载的调速控制和节能需求。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种变频变拓扑调速电机控制系统。

背景技术

电机作为机电能量转换的核心，在以电力和电气化为核心标志的第二次工业革命中，在国民经济的各个方面都起到巨大的推动作用。电机及其驱动技术最开始主要有直流系统和交流系统两个路线。

直流系统中的动力设备的代表就是直流电机，直流电机从发明到现在已经上百年，从电励磁直流电机到永磁直流电机，结构更加简化，技术更加成熟，直流电机的优势是控制简单，调速方便，但是缺点同样突出，就是存在电刷和换向器等旋转摩擦部件，寿命有限，维护复杂。

交流系统中动力设备的代表就是交流异步电机和同步电机，尤其是交流异步电机由于转子没有任何动静接触部件，结构更加简单可靠，不需要额外的直流或者交流电源，直接挂工频交流电网就能运行，因此得到了最为广泛的应用。但是在交流矢量控制技术出现之前，异步电机的调速性能有限，因此在很多需要调速和精确控制的工况，异步电机相比直流电机处于弱势地位。但是20世纪80年代后期，随着交流电机矢量控制技术、电力电子器件技术以及半导体控制芯片技术的不断成熟，以电机+IGBT+控制芯片为核心的交流电机矢量控制系统在工业、农业、以及国民经济的各个领域大面积推广。尤其是异步电机+变频调速控制器为代表的驱动方式，更是成为主流。这种驱动模式，兼顾了电机结构简单技术可靠的优势，同时兼顾了速度和转矩控制能力，能够适应大多数负载的运行需要。在风机、水泵、压缩机等行业，应用广泛。

交流系统中的动力设备，除了交流异步电机，还有一个重要的技术路线就是交流同步电机。比较有代表性的是电励磁同步电机和永磁同步电机。电励磁同步电机通过滑环电刷把直流励磁导入转子侧，定子侧需要启动控制系统，可以采用变频调速控制运行，也可以采用异步启动同步运行的方式。电励磁同步电机比较适合大功率驱动工况。永磁同步电机采用永磁体实现转子励磁，这样就取消了滑环电刷结构，定子侧采用跟电励磁同步电机类似的控制系统。交流同步电机的两个技术路线，一个适合大功率驱动(电励磁同步电机)，另一个适合小功率驱动(永磁同步电机)。在众多对性能要求不高的中小功率驱动领域，同步电机相比异步电机存在一定劣势。永磁电机的价格比异步电机高，电励磁同步电机系统复杂性要比异步电机高。由于不同行业的技术性能要求、价格敏感性、使用习惯、行业惯性等多方面原因，目前形成了异步电机、电励磁同步电机、永磁同步电机、直流电机并行存在的局面。

对于使用量最大的交流异步电机调速系统，目前已经很好的解决了负载调速需求的痛点，但是异步电机由于自身技术原理的原因，转子侧需要定子侧提供被动励磁电流，这造成了在负载率较低时，异步电机电流偏大，功率因数很低，异步电机的空载电流约为额定电流的40-50％，而永磁同步电机空载电流只有额定电流的5-10％。由此造成异步电机轻载时候的铜损耗更大，效率更低。当负载率低于60％时，异步电机效率相比额定工作点效率大幅度下降。对于风机水泵类负载，当转速下降50％，负载转矩下降为额定转矩的25％，输出功率下降为额定功率的12.5％，如此低的负载率，异步电机的实际效率相比额定效率至少下降20-30％，因此变频调速虽然实现了系统节能，但是更多节约的是风机水泵类负载本身的能耗，而没有降低异步电机自身的能耗。