一种基于三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种利用定子电流三次谐波分量作为励磁源，通过旋转变压器进行励磁，优化了电励磁同步电动机的励磁系统。


背景技术：

2.近年来，经济的发展伴随着能源的重度消耗，提高能源利用率对于各行各业都已迫在眉睫。而在电机控制领域中，电励磁同步电机相较于其他种类电机，它具有的优势很明显：负载运行能力强、维护容易、功率因数可调和效率高等。
3.目前电励磁电机的励磁系统按照所采用整流方式可分为两大类：直流发电机励磁系统和交流整流励磁系统。直流发电机励磁系统由于直流电机本身存在换向火花和磨损等问题，而逐渐被淘汰。交流整流励磁系统中的励磁电源为交流电源，其输出的交流电经半导体整流后供给主机励磁。随着电力电子器件和电力电子技术的发展，交流励磁系统得到了日益广泛的应用。
4.电机中的谐波磁场是客观存在的，通常都设法减弱或消除谐波对电机性能的影响。然而在不影响电机性能的前提下采用谐波进行励磁，则是巧妙地利用电机中的谐波磁场。自上世纪70年代起，国内开始对气隙中三次谐波磁场的利用进行研究，并成功地应用于同步发电机的励磁系统中形成了一种三次谐波励磁的同步发电机。
5.传统的三次谐波励磁发电机的原理是在其定子铁心槽里放置一套谐波绕组，利用气隙内的谐波磁场感应出交流电，将此交流电整流得到直流电源后，如经过电刷直接供给发电机励磁则构成三次谐波有刷励磁系统；如供给交流励磁机励磁绕组，则交流励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器整流后供给主励磁绕组，从而构成三次谐波无刷励磁系统。目前，三次谐波励磁已成为中小型同步发电机的一种常用的励磁方式。
6.谐波励磁技术的研究，进一步简化的电机系统的结构，节约了更多的资源，很大程度上提高了能源利用率，对于行业的绿色节能发展趋势做出了巨大的贡献。同时，谐波励磁的电机具有电压稳定性好、主绕组短路时仍能提供励磁、结构简单、维修方便、成本较低等优点。
7.传统的三次谐波励磁方式需要在电机定子中设计额外的励磁绕组，这无疑增加了电机结构的复杂性，对于电机定子槽型、绕组的设计都会产生一定的限制，并且其复励特性并不明显。此种方式适用于同步发电机，而对于同步电动机存在效果较差的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供了一种基于三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统，以利用定子中的谐波分量作为励磁源，提高系统能源利用率，简化系统结构。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统，包括系统中电励磁同步电动机，所述系统中电励磁同步电动机与测速编码器、定子供电电路和整流电路连接；测速编码器与电励磁同步电动机、主控系统连接；定子
供电电路与谐波提取电路、电励磁同步电动机和主控系统连接；谐波提取电路与定子供电电路和旋转变压器连接；旋转变压器与波提取电路和整流电路连接；整流电路与旋转变压器和电励磁同步电动机连接；主控系统与定子供电电路和测速编码器连接。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
11.本发明实现了将电励磁同步电动机定子侧谐波作为电机励磁源，通过提取定子供电线路中ab两相上的谐波能量作为励磁源，提高了系统的能源利用率、显著简化了系统的结构、使系统具有更好的通用性；同时，母线电压电流的重构技术，进一步将电压电流传感器数量缩减至两个，极大程度的减少了传感器的使用数量，简化硬件电路，使系统数字化程度增大。
附图说明
12.图1为本发明基于三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统的电路图。
13.1、电励磁同步电动机；2、测速编码器；3、定子供电电路；4、谐波提取电路；5、旋转变压器；6、整流电路；7、主控系统；8、pwm逆变电路；9、母线直流电源；10、母线电压电流传感器；11、谐波提取第一电容；12、谐波提取第二电容；13、谐波提取电感；14、转速pi调节器；15、定子转矩电流pi调节器；16、第一坐标转换模块；17、空间矢量脉宽调制模块；18、电压电流重构模块；19、第二坐标转换模块；20、气隙磁链控制器；21、磁链观测器；22、谐波电流计算模块；23、定子励磁电流pi调节器。
具体实施方式
14.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统，包括系统中电励磁同步电动机1，所述系统中电励磁同步电动机1与测速编码器2、定子供电电路3和整流电路6连接；测速编码器2与电励磁同步电动机1、主控系统7连接；定子供电电路3与谐波提取电路4、电励磁同步电动机1和主控系统7连接；谐波提取电路4与定子供电电路3和旋转变压器5连接；旋转变压器5与波提取电路4和整流电路6连接；整流电路6与旋转变压器5和电励磁同步电动机1连接；主控系统7与定子供电电路3和测速编码器2连接。
15.所述定子供电电路3由pwm逆变电路8、母线直流电源9和母线电压电流传感器10组成；且pwm逆变电路8与母线电压电流传感器10连接后再与母线直流电源9连接。所述母线电压电流传感器10采集到的电压电流信息与空间矢量脉宽调制模块17输出信号经电压电流重构模块18后，得到定子侧的相电流与电压值。
16.所述谐波提取电路4由依次连接的谐波提取第一电容11、谐波提取电感13和谐波提取第二电容12组成；且谐波提取电感13为旋转变压器5一次侧绕组。
17.所述主控系统7包括连接转速pi调节器14和定子转矩电流pi调节器15；定子转矩电流pi调节器15与转速pi调节器14、第二坐标转换模块19、谐波电流计算模块22和第一坐标转换模块16连接；第一坐标转换模块16与定子转矩电流pi调节器15、定子励磁电流pi调节器23和空间矢量脉宽调制模块17连接；空间矢量脉宽调制模块17与第一坐标转换模块16和电压电流重构模块18连接；电压电流重构模块18与空间矢量脉宽调制模块17、磁链观测器21和第二坐标转换模块19连接；第二坐标转换模块19与电压电流重构模块18、定子励磁
电流pi调节器23和定子转矩电流pi调节器15连接；气隙磁链控制器20与磁链观测器21、谐波电流计算模块22和定子励磁电流pi调节器23连接；磁链观测器21与电压电流重构模块18和气隙磁链控制器20连接；谐波电流计算模块22与气隙磁链控制器20、电流pi调节器15和定子励磁电流pi调节器23连接；定子励磁电流pi调节器23与第二坐标转换模块19、气隙磁链控制器20、谐波电流计算模块22和第一坐标转换模块16连接。
18.本发明还提供一种基于三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统的操作方法，该控制系统的谐波提取电路4由谐波提取第一电容11、谐波提取第二电容12与谐波提取电感13组成，通过提取定子供电线路上的谐波能量，输入旋转变压器5一次侧绕组，通过磁场调制耦合到二次侧绕组，二次侧绕组经过整流电路6后送入到电励磁同步电动机1的励磁绕组建立磁场，实现三次谐波励磁，且谐波提取电感13为旋转变压器5一次侧绕组，极大的简化了系统结构。气隙磁链控制器20得到的励磁电流期望值，经谐波电流计算模块22转换为定子谐波电流值，分别在定子转矩电流pi调节器15与定子励磁电流pi调节器23处进行谐波注入。相较于增加定子谐波绕组的谐波励磁方式，该方法对于电机的影响更小、通用性更强、复励特性强、结构简化显著。
19.一般的矢量控制系统需要多个传感器采集定子两相或三相电压电流及母线电压，而此三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统通过母线电压电流传感器10和电压电流重构模块18即可替代。电压电流重构模块18通过采集的svpwm逆变器母线电压电流及svpwm控制信号，进行定子电压电流的重构计算，即可得到定子的电压和电流，极大程度的减少了传感器的使用数量，简化硬件电路，使系统数字化程度增大。
20.本发明提出的基于三次谐波励磁同步电动机矢量控制系统，在定子供电线中将ab相三次谐波提取出，输入旋转变压器一次侧绕组，通过磁场调制耦合到二次侧绕组，二次侧绕组经过整流送入到电励磁电动机的励磁绕组建立磁场，实现三次谐波励磁。能够在满足电励磁同步电动机全部性能的前提下，简化结构，提高能源利用率；同时，本发明提出谐波励磁控制系统，不对电机本体进行改变，加大了系统的通用性，减少了传感器的使用，这对电励磁同步电动机的发展是具有重大的实际意义的。