一種永磁同步電驅動系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種永磁同步電驅動系統，包括：永磁同步發電機、第一轉換裝置、第二轉換裝置、永磁同步電動機、第一檢測器、第二檢測器以及控制器；永磁同步發電機的輸出連接第一轉換裝置的輸入，第一轉換裝置的輸出連接第二轉換裝置的輸入，第二轉換裝置的輸出連接永磁同步電動機的輸入；第一和第二檢測器分別連接控制器；第一檢測器檢測直流母線電壓并發送給控制器，第二檢測器檢測負載的運行狀況并發送給控制器，控制器根據上述兩個信號向第一和第二轉換裝置發送控制信號，第一和第二轉換裝置根據上述兩個控制信號進行轉換，以調整永磁同步發電機的輸出功率以及輸出給永磁同步電動機的輸出功率。本發明可實現單位功率因數控制。
【專利說明】
一種永磁同步電驅動系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及電機技術領域，尤其涉及一種永磁同步電驅動系統。
【背景技術】
[0002]傳統的電機驅動系統，存在局限性。首先，驅動系統功率密度低，導致電機體積、重量和功率器件的容量增高。對于功率較大的驅動系統，簡單的采用更大規格的電機和變流器，使得系統的比功率、比能量降低。體積大，功率密度低是傳統驅動系統的主要問題。
[0003]目前的電機驅動系統采用不控整流時，功率因數低，且不可控；電機制動時，容易產生很高的回饋能量和栗升電壓，在傳統驅動系統中依賴直流電容吸收能量造成系統不可靠。其次，現代電機驅動系統要求在較寬的轉速和轉矩工作區內，保持較高的能量效率，可實現再生制動時的高能量回收效率。傳統驅動系統調速范圍較窄，難以實現在低速區提供大轉矩、高速區輸出高功率的性能要求。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種永磁同步電驅動系統。
[0005]本發明提供一種永磁同步電驅動系統，包括:用于產生交流電的永磁同步發電機、用于將交流電轉換成直流電的可控的第一轉換裝置、用于將直流電轉換成交流電的可控的第二轉換裝置、用于為負載提供動力的永磁同步電動機、第一檢測器、第二檢測器以及控制器；
[0006]所述永磁同步發電機的輸出端連接所述第一轉換裝置的輸入端，所述第一轉換裝置的輸出端連接所述第二轉換裝置的輸入端，所述第二轉換裝置的輸出端連接所述永磁同步電動機的輸入端;所述第一檢測器和所述第二檢測器分別連接所述控制器;所述第一檢測器檢測所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置的連接線路上的直流母線電壓，并將所述直流母線電壓發送給控制器，所述第二檢測器檢測所述負載的運行狀況，并將所述負載的運行狀況發送給所述控制器，所述控制器根據所述直流母線電壓向所述第一轉換裝置發送第一控制信號，并根據所述負載的運行狀況向所述第二轉換裝置發送第二控制信號，所述第一轉換裝置根據所述第一控制信號進行轉換，以調整所述永磁同步發電機的輸出功率，所述第二轉換裝置根據所述第二控制信號進行轉換，以調整輸出給所述永磁同步電動機的輸出功率。
[0007]優選的，所述永磁同步電驅動系統還包括:用于儲存電能的超級電容儲能電路以及切換電路；
[0008]所述超級電容儲能電路連接所述切換電路，所述切換電路連接所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置，所述控制器連接所述切換電路；
[0009]所述控制器根據所述直流母線電壓向所述切換電路發送第三控制信號;所述切換電路根據所述第三控制信號切換所述超級電容儲能電路儲能電能或釋放電能。
[0010]優選的，所述切換電路包括:雙向DC/DC變換器；
[0011]所述雙向DC/DC變換器包括第一開關管、第二開關管、第一二極管和第二二極管；所述第一二極管的兩端分別連接在所述第一開關管的兩個導通端形成第一側電路，所述第二二極管的兩端分別連接所述第二開關管的兩個導通端形成第二側電路，所述第一側電路和所述第二側電路串聯后與所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置并聯，且連接在所述第一轉換裝置的輸出端和所述第二轉換裝置的輸入端之間;所述超級電容儲能電路和所述第二側電路并聯；
[0012]所述控制器連接所述第一開關管和所述第二開關管的控制端，用于根據所述直流母線電壓向所述第一開關管的控制端和所述第二開關管的控制端發送第三控制信號，所述第一開關管的兩個導通端根據所述第一開關管的控制端接收到的所述第三控制信號導通或斷開，所述第二開關管的兩個導通端根據所述第一開關管的控制端接收到的所述第三控制信號導通或斷開。
[0013]優選的，所述第一開關管和所述第二開關管為三極管或場效應管。
[0014]優選的，所述雙向DC/DC變換器還包括第一電感；
[0015]所述第一電感的一端連接在所述第一側電路和所述第二側電路的連接點上以作為所述雙向DC/DC變換器的輸出端。
[0016]優選的，所述超級電容儲能電路包括第二電感、第三電感和超級電容；
[0017]所述第三電感和所述超級電容串聯形成串聯電路，所述串聯電路和所述第二電感并聯，且所述串聯電路和所述第二電感并聯的并聯電路的兩端作為所述超級電容儲能電路的兩個輸出端。
[0018]優選的，所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置采用雙向PffM變流器。
[0019]優選的，所述雙向PffM變流器采用背靠背雙PffM變流器。
[0020]優選的，所述永磁同步電驅動系統還包括直流母線電容；
[0021]所述第一轉換裝置、所述直流母線電容和所述第二轉換裝置并聯。
[0022]優選的，所述第一轉換裝置和第二轉換裝置均采用可控的三相變流器。
[0023]由上述技術方案可知，本發明的永磁同步電驅動系統的所述第一轉換裝置從所述永磁同步發電機吸取電能，需要從電網吸收有功和無功功率，運行在整流工作狀態，通過檢測所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置的連接線路上的直流母線電壓，調整所述永磁同步發電機的輸出功率，可實現單位功率因數控制，即所述永磁同步發電機輸出電壓電流同相位的正阻特性。
【附圖說明】
[0024]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1是本發明一實施例提供的一種永磁同步電驅動系統的結構圖；
[0026]圖2是本發明一實施例提供的一種永磁同步電驅動系統的能量流動圖。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0028]圖1是本發明一實施例提供的一種永磁同步電驅動系統的結構圖；
[0029]圖2是本發明一實施例提供的一種永磁同步電驅動系統的能量流動圖。
[0030]如圖1和圖2所示的一種永磁同步電驅動系統，包括:用于產生交流電的永磁同步發電機P1、用于將交流電轉換成直流電的可控的第一轉換裝置、用于將直流電轉換成交流電的可控的第二轉換裝置、用于為負載提供動力的永磁同步電動機P2、第一檢測器、第二檢測器以及控制器;第一檢測器、第二檢測器以及控制器在圖中未示出。
[0031]所述永磁同步發電機Pl的輸出端連接所述第一轉換裝置的輸入端，所述第一轉換裝置的輸出端連接所述第二轉換裝置的輸入端，所述第二轉換裝置的輸出端連接所述永磁同步電動機P2的輸入端;所述第一檢測器和所述第二檢測器分別連接所述控制器;所述第一檢測器檢測所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置的連接線路上的直流母線電壓，并將所述直流母線電壓發送給控制器，所述第二檢測器檢測所述負載的運行狀況，并將所述負載的運行狀況發送給所述控制器，所述控制器根據所述直流母線電壓向所述第一轉換裝置發送第一控制信號，并根據所述負載的運行狀況向所述第二轉換裝置發送第二控制信號，所述第一轉換裝置根據所述第一控制信號進行轉換，以調整所述永磁同步發電機Pl的輸出功率，所述第二轉換裝置根據所述第二控制信號進行轉換，以調整輸出給所述永磁同步電動機P2的輸出功率。
[0032]本發明的永磁同步電驅動系統的所述第一轉換裝置從所述永磁同步發電機Pl吸取電能，需要從電網吸收有功和無功功率，運行在整流工作狀態，通過檢測所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置的連接線路上的直流母線電壓，調整所述永磁同步發電機Pl的輸出功率，可實現單位功率因數控制，即所述永磁同步發電機Pl輸出電壓電流同相位的正阻特性。
[0033]根據所述負載的運行狀況調整輸出給所述永磁同步電動機P2的輸出功率，以使系統滿足負載的動力需求。
[0034]如圖1所示，作為一種優選實施例，所述永磁同步電驅動系統還包括:用于儲存電能的超級電容儲能電路E以及切換電路F;
[0035]所述超級電容儲能電路E連接所述切換電路F，所述切換電路F連接所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置，所述控制器連接所述切換電路F;
[0036]所述控制器根據所述直流母線電壓向所述切換電路F發送第三控制信號;所述切換電路F根據所述第三控制信號切換所述超級電容儲能電路E儲能電能或釋放電能。
[0037]可以理解的是，可在所述第一檢測器檢測到直流母線電壓高于預設值(一般為額定值)時，所述切換電路F工作在降壓模式，所述超級電容儲能電路E處于充電狀態，從而將多余的能量存儲起來;在所述第一檢測器檢測到直流母線電壓低于預設值(一般為額定值)時，所述切換電路F工作在升壓模式，所述超級電容儲能電路E處于放電狀態，為所述永磁同步電動機P2提供電能。
[0038]作為一種優選實施例，所述切換電路F包括:雙向DC/DC變換器；
[0039]所述雙向DC/DC變換器包括第一開關管K1、第二開關管K2、第一二極管Dl和第二二極管D2;所述第一二極管Dl的兩端分別連接在所述第一開關管Kl的兩個導通端形成第一側電路，所述第二二極管D2的兩端分別連接所述第二開關管K2的兩個導通端形成第二側電路，所述第一側電路和所述第二側電路串聯后與所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置并聯，且連接在所述第一轉換裝置的輸出端和所述第二轉換裝置的輸入端之間；所述超級電容儲能電路E和所述第二側電路并聯；
[0040]所述控制器連接所述第一開關管Kl和所述第二開關管K2的控制端，用于根據所述直流母線電壓向所述第一開關管Kl的控制端和所述第二開關管K2的控制端發送第三控制信號，所述第一開關管Kl的兩個導通端根據所述第一開關管Kl的控制端接收到的所述第三控制信號導通或斷開，所述第二開關管K2的兩個導通端根據所述第一開關管Kl的控制端接收到的所述第三控制信號導通或斷開。
[0041]本切換電路F的工作原理為:在所述第一檢測器檢測到直流母線電壓高于預設值(一般為額定值)時，控制器控制第一開關管Kl導通，第二開關管K2截止，所述切換電路F工作在降壓模式，超級電容儲能電路E處于充電狀態，從而將多余的能量存儲起來;在所述檢測器檢測到直流母線電壓低于預設值(一般為額定值)時，控制器控制第一開關管Kl截止，第二開關管K2導通，所述切換電路F工作在升壓模式，超級電容儲能電路E處于放電狀態，為所述永磁同步電動機P2提供電能。
[0042]作為一種優選實施例，所述第一開關管Kl和所述第二開關管K2為三極管或場效應管。還可以為其他開關管，本發明不做限制。
[0043]作為一種優選實施例，所述雙向DC/DC變換器還包括第一電感LI;
[0044]所述第一電感LI的一端連接在所述第一側電路和所述第二側電路的連接點上以作為所述雙向DC/DC變換器的輸出端。
[0045]可以理解的是，所述第一電感LI可以阻止交流，通直流，保證所述超級電容P3的良好充電和放電性能。
[0046]可以理解的是，本發明還可采用除上述雙向DC/DC變換器外的其他結構的雙向DC/DC變換器，本發明不做限制。
[0047]作為一種優選實施例，所述超級電容儲能電路E包括第二電感L2、第三電感L3和超級電容P3;
[0048]所述第三電感L3和所述超級電容P3串聯形成串聯電路，所述串聯電路和所述第二電感L2并聯，且所述串聯電路和所述第二電感L2并聯的并聯電路的兩端作為所述超級電容儲能電路E的兩個輸出端。
[0049]圖1中，所述超級電容儲能電路E的兩個輸出端中的一端連接所述第一電感LI的另一端，所述超級電容儲能電路E的兩個輸出端中的另一端連接所述雙向DC/DC變換器的另一個輸出端。
[0050]作為一種優選實施例，所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置采用雙向PWM變流器。
[0051 ] 作為一種優選實施例，所述雙向PffM變流器采用背靠背雙PffM變流器。
[0052]可以理解的是，本發明中由于背靠背雙PffM變流器控制功能靈活、交流側功率因數可調和直流電壓可控等諸多優點，因此可改善調速性能。
[0053]作為一種優選實施例，所述永磁同步電驅動系統還包括直流母線電容PC;
[0054]所述第一轉換裝置、所述直流母線電容PC和所述第二轉換裝置并聯。
[0055]可以理解的是，所述直流母線電容PC也可以起到儲存電能和釋放電能的作用。
[0056]如圖1所示，作為一種優選實施例，所述第一轉換裝置和第二轉換裝置均采用可控(一般為交、直流可控)的三相變流器，所述第一轉換裝置為第一三相變流器VSCl，所述第二轉換裝置為第二三相變流器VSC2。
[0057]所述雙向PWM變流器包括結構相同的第一三相變流器VSCl和第二三相變流器VSC2。但是，所述雙向PffM變流器并不局限于該結構。
[0058]可以理解的是，所述第一檢測器和第二檢測器可采用現有的檢測器實現。
[0059]本發明從電機使用上進行改進，形成一種兩臺永磁同步電機同軸驅動系統。
[0060]本發明采用永磁電機代替直流電機、交流電機，體積小，可靠性高。
[0061]本發明的永磁同步電驅動系統的所述第一三相變流器VSCl從所述永磁同步發電機Pl吸取電能，需要從電網吸收有功和無功功率，運行在整流工作狀態，可實現單位功率因數控制，即所述永磁同步發電機Pl輸出電壓電流同相位的正阻特性。所述第二三相變流器VSC2(即第二轉換裝置)將直流母線電壓經過PWM調制用來驅動所述永磁同步電動機P2，能量從所述永磁同步發電機PI通過所述雙向PWM變流器流至所述永磁同步電動機P2。
[0062]雙向DC/DC變換器可以通過控制開關管占空比D來改變升降壓比，以此來吸收所述永磁同步電動機P2制動時的回饋能量和栗升電壓，也用來儲存所述永磁同步發電機Pl端產生的剩余能量，使得兩側能量平衡，增加系統的可靠性。雙向DC/DC變換器可以消除負載大范圍變化時直流電壓畸變的問題，使電路不論輕載重載，均能夠正常工作。即，本發明通過用于儲存電能的超級電容儲能電路E以及切換電路F達到上述效果，一般在發電和耗電不平衡(一般為故障)時使用該功能，如剎車時，存儲電能，爬坡時，釋放電能。
[0063]本發明中加入帶有超級電容P3的DC/DC電路(即超級電容儲能電路和雙向DC/DC變換器形成的電路)可以解決能量栗升問題。
[0064]本發明由于超級電容P3容量大，因此存儲電能和釋放電能都快。
[0065]本發明以交流感應電機驅動系統為對象，改善調速性能、提高系統可靠性和負載適應能力、增大功率密度，是一種全新的永磁同步電驅動系統的設計方法。即，本發明的永磁同步電驅動系統具有高功率密度，高效率，調速范圍寬的特點。
[0066]本發明可應用在車上，即負載為車上的驅動裝置，則所述負載的運行狀況可為扭矩、轉速等。當然，還可應用在其他動力設備上。
[0067]應當注意的是，在本發明的裝置的各個部件中，根據其要實現的功能而對其中的部件進行了邏輯劃分，但是，本發明不受限于此，可以根據需要對各個部件進行重新劃分或者組合，例如，可以將一些部件組合為單個部件，或者可以將一些部件進一步分解為更多的子部件。
[0068]以上實施方式僅適于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
【主權項】
1.一種永磁同步電驅動系統，其特征在于，包括:用于產生交流電的永磁同步發電機、用于將交流電轉換成直流電的可控的第一轉換裝置、用于將直流電轉換成交流電的可控的第二轉換裝置、用于為負載提供動力的永磁同步電動機、第一檢測器、第二檢測器以及控制器； 所述永磁同步發電機的輸出端連接所述第一轉換裝置的輸入端，所述第一轉換裝置的輸出端連接所述第二轉換裝置的輸入端，所述第二轉換裝置的輸出端連接所述永磁同步電動機的輸入端;所述第一檢測器和所述第二檢測器分別連接所述控制器;所述第一檢測器檢測所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置的連接線路上的直流母線電壓，并將所述直流母線電壓發送給控制器，所述第二檢測器檢測所述負載的運行狀況，并將所述負載的運行狀況發送給所述控制器，所述控制器根據所述直流母線電壓向所述第一轉換裝置發送第一控制信號，并根據所述負載的運行狀況向所述第二轉換裝置發送第二控制信號，所述第一轉換裝置根據所述第一控制信號進行轉換，以調整所述永磁同步發電機的輸出功率，所述第二轉換裝置根據所述第二控制信號進行轉換，以調整輸出給所述永磁同步電動機的輸出功率。2.根據權利要求1所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述永磁同步電驅動系統還包括:用于儲存電能的超級電容儲能電路以及切換電路； 所述超級電容儲能電路連接所述切換電路，所述切換電路連接所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置，所述控制器連接所述切換電路； 所述控制器根據所述直流母線電壓向所述切換電路發送第三控制信號;所述切換電路根據所述第三控制信號切換所述超級電容儲能電路儲能電能或釋放電能儲能電能或釋放電能。3.根據權利要求2所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述切換電路包括:雙向DC/DC變換器； 所述雙向DC/DC變換器包括第一開關管、第二開關管、第一二極管和第二二極管;所述第一二極管的兩端分別連接在所述第一開關管的兩個導通端形成第一側電路，所述第二二極管的兩端分別連接所述第二開關管的兩個導通端形成第二側電路，所述第一側電路和所述第二側電路串聯后與所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置并聯，且連接在所述第一轉換裝置的輸出端和所述第二轉換裝置的輸入端之間;所述超級電容儲能電路和所述第二側電路并聯； 所述控制器連接所述第一開關管和所述第二開關管的控制端，用于根據所述直流母線電壓向所述第一開關管的控制端和所述第二開關管的控制端發送第三控制信號，所述第一開關管的兩個導通端根據所述第一開關管的控制端接收到的所述第三控制信號導通或斷開，所述第二開關管的兩個導通端根據所述第一開關管的控制端接收到的所述第三控制信號導通或斷開。4.根據權利要求3所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述第一開關管和所述第二開關管為三極管或場效應管。5.根據權利要求3所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述雙向DC/DC變換器還包括第一電感； 所述第一電感的一端連接在所述第一側電路和所述第二側電路的連接點上以作為所述雙向DC/DC變換器的輸出端。6.根據權利要求2所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述超級電容儲能電路包括第二電感、第三電感和超級電容； 所述第三電感和所述超級電容串聯形成串聯電路，所述串聯電路和所述第二電感并聯，且所述串聯電路和所述第二電感并聯的并聯電路的兩端作為所述超級電容儲能電路的兩個輸出端。7.根據權利要求1所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述第一轉換裝置和所述第二轉換裝置采用雙向PWM變流器。8.根據權利要求7所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述雙向PWM變流器采用背靠背雙PffM變流器。9.根據權利要求1所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述永磁同步電驅動系統還包括直流母線電容； 所述第一轉換裝置、所述直流母線電容和所述第二轉換裝置并聯。10.根據權利要求1所述的永磁同步電驅動系統，其特征在于，所述第一轉換裝置和第二轉換裝置均采用可控的三相變流器。
【文檔編號】H02P6/08GK106026687SQ201610452076
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】高劍, 黃守道, 羅德榮, 樊鵬
【申請人】湖南大學