[實用新型]一種用于電機寬速的控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201621125135.1
• 申請日: 2016-10-14
• 公開（公告）號: CN206259878U
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 江先武
• 申請（專利權(quán)）人: 江先武
• 主分類號: H02P25/18
• 分類號: H02P25/18
• 代理公司: 北京科億知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及電機及其控制領(lǐng)域，具體地是涉及一種用于電機寬速的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

眾所周知，電機的最高效率轉(zhuǎn)速區(qū)是有一范圍的，當超出這個范圍時，電機的效率急劇下降，多數(shù)情況下，電機只能按照工況中工作時間最長的某個轉(zhuǎn)速下設(shè)計。而且傳統(tǒng)單繞組的電機為了兼顧低速時的電機轉(zhuǎn)矩和低速時的效率，往往都限制了最高速度。

而電機在低轉(zhuǎn)速下的效率低是綜合因素造成的，主要有以下幾種原因：

1.現(xiàn)有的各種類型電機都是利用電流通過導(dǎo)電線圈產(chǎn)生磁場，并利用這個磁場和另一個磁場或磁路發(fā)生作用力，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩來推動電機轉(zhuǎn)動。

線圈產(chǎn)生的磁場強度H可以用以下公式表示

H＝N_C×I_n×u_fe

公式中N_C表示線圈的匝數(shù)，I_N表示流過線圈的電流，如果有鐵芯的話，u_fe表示鐵芯的磁導(dǎo)率。在磁導(dǎo)率是一個常數(shù)的情況下。決定磁場強度是電流與線圈匝數(shù)的乘積，既安匝數(shù)。雖然各種電機因磁場強度H產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的計算公式不同，但都與H的大小成正比。電流流過線圈會因電阻、渦流等原因的發(fā)熱限制，其電流也是有限制的。所以一般電機的最大轉(zhuǎn)矩也就是額定轉(zhuǎn)矩的3到6倍。轉(zhuǎn)矩受到限制，速度又很低，作為速度乘以轉(zhuǎn)矩為電機的輸出功率就很低，也造成了電機效率低。

2.電機在較低速度時，自感電動勢E_φ較低，而電機的控制器或變頻器的供電電壓E_P是基本恒定的，流過電機線圈的電流I_n＝(E_P-E_φ)/R_f，公式中的R_f為線圈的等效阻抗。因E_φ很小，此時的電流I_N會很大，所以控制器中一般都采用了PWM調(diào)制的方式來控制電流，本質(zhì)意義就是用斷續(xù)的較強的脈沖電流在電機上產(chǎn)生同樣的機械轉(zhuǎn)矩效果，來替代連續(xù)的相對較弱的電流。(雖然由于線圈的電感作用和控制器的功率管的續(xù)流作用，加上PWM頻率足夠高，在線圈內(nèi)流動的也是相對連續(xù)的電流，但續(xù)流的那部分能量也還是來自電源的脈沖能量)。這種方式來結(jié)果是當E_P-E_φ的電壓差越大，R_f線圈的等效阻抗R_f越小時，其PWM占空比越小，也就是脈沖的時間越短，而脈沖的電流值越高。而此電流脈沖的能量除一部分轉(zhuǎn)化為了有效的機械功外，其它的都轉(zhuǎn)換為以下幾種能量浪費掉：

A：高能量脈沖產(chǎn)生的各種機械和電磁諧波，以發(fā)熱和輻射的形式消耗。

B：因電流在電阻上的熱轉(zhuǎn)換成平方倍的增長，電流脈沖的峰值越大，整個電流回路的發(fā)熱量越高。

C：因電機轉(zhuǎn)子是機械性的，轉(zhuǎn)子有質(zhì)量慣性，根據(jù)物理定律，這種斷續(xù)性的能量推動本身就會隨著能量的脈沖時間越小，傳遞效率越低。

D：對有硅鋼片鐵芯的線圈，電流脈沖越過一定幅值的情況下，磁場會飽和，電流的轉(zhuǎn)作為在線圈的電阻上的熱能浪費掉。

為了擴寬電機的轉(zhuǎn)速范圍，國內(nèi)實用新型人做了很多努力和嘗試。如國內(nèi)專利文獻中申請?zhí)枮椋?01510508099.0，專利名稱為“一種永磁同步電機繞組切換裝置”和申請?zhí)枮椋?01510508843.7，專利名稱為“一種基于永磁同步電機繞組切換裝置的切換策略”。兩篇專利中均提到了一種永磁同步電機切換方法，即永磁同步電機繞組切換裝置具有n套繞組，同時對應(yīng)n個主回路單元，通過4n-4個開關(guān)共同作用，實現(xiàn)n套繞組的串并聯(lián)切換。繞組串聯(lián)運行，若轉(zhuǎn)速達到切換條件，繞組由串聯(lián)切換至并聯(lián)；繞組并聯(lián)運行，若轉(zhuǎn)速達到切換條件，電壓減小，直至滿足電壓切換條件，繞組由并聯(lián)切換至串聯(lián)。采用上述技術(shù)方案可以在一定程度上提高電機運行效率，擴展電機的調(diào)速范圍，并且使主回路容量的需求減小。

但是上述技術(shù)方案存在如下不足：

1.需要n個獨立的動力電源供電，這在現(xiàn)實應(yīng)用中成本高且復(fù)雜。特別是在電池供電系統(tǒng)中，要用多個電池組，對充電和電池管理都是很大的麻煩。

2.電池組需要由開關(guān)進行并聯(lián)切換，如果是電池供電的系統(tǒng)中，電池的電壓因個體差異，電壓不可能完全相等，而電池的內(nèi)阻又很小，在并聯(lián)的過程中有很大的沖擊電流，很容易損壞切換開關(guān)，給系統(tǒng)造成不可靠性。