CN102142803B - 一种控制永磁同步电机的启动电路及启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制永磁同步电机的启动电路，所述电机包括有N个绕组，启动电路包括N个绕组、N个用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关、一控制模块及一用于检测所述转子位置并与所述控制模块连接的检测模块，所述N个绕组以两相邻绕组在空间上相差360/2N度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上，绕组与电子开关一一对应串联地接在交流电源的两端，所述控制模块根据所述转子的位置控制N个电子开关的轮流工作以使N个绕组在空隙中形成旋转磁场以驱动转子的转动，N为大于1的自然数。本发明无需复杂的整流、逆变电路和复杂的控制算法，免去带复杂控制程序及电路的变频器，降低电机驱动成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种启动电路，特别涉及一种控制永磁同步电机的启动电路及启动方法。
【背景技术】
目前，永磁同步交流电机转子采用钕铁硼材料，定子为普通交流电机结构，例如，如图1所示，永磁同步交流电机其包括转轴A1、转子A2、定子A3，转子A2套设在转轴A1上，定子A3套设在转子A2的外侧；转子A2为永磁体磁极，其N、S极对半并对称地分布；定子A3为内齿状的凸极铁心，设有多个凸极铁心齿A301，定子A3连有正常工作电路。目前，驱动永磁同步电机需用特殊的变频器，目前普遍采用的是基于高速计算内核的交直交变频器，该变频器具有计算速度快，扩展功能强等优势，同时具有制造成本高、谐波干扰大，控制算法复杂等缺点。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种控制永磁同步电机的启动电路，控制电路和控制算法简单，大大降低了成本。
上述技术问题通过以下技术方案解决：
一种控制永磁同步电机的启动电路，其特征在于，所述电机包括有N个绕组，启动电路包括N个用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关、一控制模块及一用于检测所述转子位置并与所述控制模块连接的检测模块，所述N个绕组以两相邻绕组在空间上相差360/2N度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上，绕组与电子开关一一对应串联地接在交流电源的两端，所述控制模块根据所述转子的位置控制N个电子开关的轮流工作以使N个绕组在空隙中形成旋转磁场以驱动转子的转动，N为大于1的自然数。
所述绕组的数量、连接开关的数量和电子开关的数量均为两组，所述两个绕组以在空间上相差90度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上。
所述绕组的数量、连接开关的数量和电子开关的数量均为三组，所述三个绕组以两相邻绕组在空间上相差60度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上。
所述绕组与所述电子开关之间还连有一受所述控制模块控制的连接开关。
本发明控制永磁同步电机的启动电路无需复杂的整流、逆变电路和复杂的控制算法，利用转子的磁场与转子的相对固定来获知转子的磁场位置进而控制电子开关的轮流工作，以使绕组在电机内产生转速从远远低于同步旋转磁场逐渐增大的旋转磁场，不停地给转子产生顺向扭力矩使转子快速启动，再切换至普通交流供电模式使电机稳定运行在同步状态。
针对单相永磁同步电机的具体方案是，所述绕组的数量、连接开关的数量和电子开关的数量均为两，所述两个绕组以在空间上相差90度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上。
针对三相永磁同步电机的具体方案是，所述绕组的数量、连接开关的数量和电子开关的数量均为三，所述三个绕组以两相邻绕组在空间上相差60度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上。
本发明还同时提供一种控制所述永磁同步电机的启动方法，其特征在于，据检测模块检测该转子的位置进而确认转子产生的磁场位置，通过转子产生的磁场位置来控制N个用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流以给到相应的绕组的电子开关间隔地轮流工作，每当其中一个绕组产生的磁场方向与转子产生的磁场方向同向时相应地电子开关停止工作，与下一个相邻绕组对应的电子开关开始工作，电子开关在其每个工作间隔中将交流电择一地转成间断的正电流或间断的负电流，且在启动过程中N个电子开关都是交替地将交流电转成间断的正电流和间断的负电流，以在气隙中产生旋转磁场，不停地给转子产生顺向扭力矩。
在将交流电转成间断的正电流和间断的负电流过程中，间断的正电流和间断的负电流的频率是逐渐增大以安全地驱动转子。
所述绕组的数量和电子开关的数量均为两组或三组。
本发明控制永磁同步电机的启动方法，利用转子的磁场与转子的相对固定来获知转子的磁场位置来控制电子开关的轮流工作，以使绕组在电机内产生转速从远远低于同步旋转磁场逐渐增大的旋转磁场，不停地给转子产生顺向扭力矩使转子快速启动；本方法无需复杂的控制算法，免去带复杂控制程序及电路的变频器，降低电机驱动成本。
【附图说明】
图1为背景技术中单相永磁同步电机的结构图；
图2为实施例一单相永磁同步电机的主、副绕组的绕接示意图；
图3为实施例一启动电路的结构图；
图4为间断的正电流形成示意图；
图5为实施例一启动电路的主绕组通正电的示意图；
图6为实施例一启动电路的副绕组通正电的示意图；
图7为实施例一单相永磁同步电机的一种正常电路图；
图8为实施例一三相永磁同步电机的三个绕组的绕接示意图；
图9为实施例二启动电路的结构图。
【具体实施方式】
实施例一
如图2所示，一种单相永磁同步电机，其包括转轴1、转子2、定子3，转子2套设在转轴1上，定子3套设在转子2的外侧；该转子为永磁体磁极，其共设有两个相邻排列的S磁极和两个相邻排列的N磁极，两个S磁极与两个N磁极对称地分布，当然，也可以设置对称分布的三个相邻排列的S磁极和三个相邻排列的N磁极；该定子3为内齿状的凸极铁心，共设有二十四个凸极铁心齿301；其中，主绕组4和副绕组5以在空间上相差90度的方式绕接在该定子的凸极铁心齿301上。
如图3所示，一种用于控制上述单相永磁同步电机的启动电路，该启动电路包括一用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的第一电子开关601、一用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的第二电子开关602、一第一连接开关603、一第二连接开关604、一控制模块及一用于检测该转子位置并与该控制模块连接的检测模块，该控制模块控制第一电子开关601、第二电子开关602、第一连接开关603和第二连接开关604，第一电子开关601、第一连接开关603与主绕组4串联地接在交流电源的两端，第二电子开关602、第二连接开关604与副绕组5串联地接在交流电源的两端；该控制模块通过转子的位置控制第一电子开关601和第二电子开关602轮流工作以使主绕组4和副绕组5在空隙中形成旋转磁场以驱动转子的转动。
一种用于控制上述单相永磁同步电机的启动方法：据检测模块检测该转子的位置进而确认转子的磁场位置，通过转子的磁场位置来控制用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的第一电子开关601和用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的第二电子开关602间隔地轮流工作，每当其中一个绕组产生的磁场方向与转子产生的磁场方向同向时相应地电子开关停止工作，与下一个绕组对应的电子开关开始工作，第一电子开关601和第二电子开关602在每个工作间隔中将交流电择一地转成间断的正电流或间断的负电流(即主绕组4和副绕组5在每个通电间隔都是择一地通间断的正电流或间断的负电流)，在整个启动过程中，第一电子开关601和第二电子开关602都是交替地将交流电转成间断的正电流和间断的负电流(即主绕组4和副绕组5都是交替地通间断的正电流和间断的负电流)，以在气隙中产生旋转磁场，不停地给转子产生顺向扭力矩；刚启动时，转换出来的间断的正电流和间断的负电流的频率比较小，由其产生的旋转磁场的转速远远小于50Hz同步旋转磁场的转速，以使安全地起动转子，然后逐渐增大间断的正电流和间断的负电流的频率，并在气隙中产生逐渐加速的旋转磁场，带动转子逐渐加速，当转子的转速达到预设值，控制第一电子开关601和第二电子开关602截断并将电机切换至50Hz的普通交流供电模式，使电机稳定运行在同步状态。
如图4所示，间断的正电流是通过电子开关的通断来获取交流电的某部分电流形成，正电流的波形也可以是一个完整的正半波，间断的负电流也是如此形成，处于状态二的间断的正电流的频率大于处于状态一的间断的正电流的频率。
结合上述控制电路和控制方法对电机的启动作详细描述：
在电机的启动阶段，该控制模块控制第一连接开关603和第二连接开关604，第一连接开关603和第二连接开关604都连通；
1)如图5所示，根据检测模块检测转子的位置确认转子2产生的磁场方向Fr，控制模块输出第一电子开关601的工作信号，第一电子开关601工作，主绕组4通有间断的正电流，此时，定子3在气隙中产生的磁场方向Fs与转子2产生的磁场方向Fr相差90角度，转子2被驱动进行逆时针旋转；
2)如图6所示，当检测模块检测转子逆时针转过90度，此时，磁场方向Fs与磁场方向Fr达到平衡状态(即同向)时，控制模块暂停输出第一电子开关601的控制信号，第一电子开关601不工作处于完全截断状态，主绕组4不通电，同时输出第二电子开关602的工作信号，第二电子开关602工作，副绕组5通间断的正电流，定子3在气隙中产生的磁场方向Fs与转子2产生的磁场方向Fr相差90度，转子2继续按原方向旋转；
3)当检测模块检测转子逆时针转过90度，此时，达到新的平衡状态，控制模块暂停输出第二电子开关602的工作信号，副绕组5不工作处于完全截断状态，同时输出第一电子开关601的工作信号，主绕组4通有间断的负电流，定子3在气隙中产生的磁场方向Fs与转子2产生的磁场方向Fr相差90度，转子2继续按原方向旋转；
4)当检测模块检测转子逆时针转过90度，此时，再次达到新的平衡状态控制模块，控制模块暂停输出第一电子开关601的工作信号，主绕组4不工作处于完全截断状态，同时输出第二电子开关602的工作信号，副绕组5通间断的负电流，定子3在气隙中产生的磁场方向Fs与转子2产生的磁场方向Fr相差90度，转子2继续按原方向旋转90度，又一次达到新的平衡状态；
5)重复上述步骤1)、2)、3)和4)，每当其中一个绕组产生的磁场方向与转子产生的磁场方向同向时相应地电子开关停止工作，与下一个相邻绕组对应的电子开关开始工作，以在气隙中产生旋转磁场，不停地给转子产生顺向扭力矩；在转成间断的正电流和间断的负电流过程中，间断的正电流和间断的负电流的频率是逐渐增大以安全地驱动转子。可见，产生顺向的旋转磁场必须要主绕组4和副绕组5轮流通电，主绕组4和副绕组5在每个通电间隔都是择一地通间断的正电流或间断的负电流，且在整个启动过程中，主绕组4和副绕组5都是交替地通间断的正电流和间断的负电流。
本电机还连有同步工作电路，其中，如图7所示，电机的一种正常工作电路是，主绕组4另通过一受控制模块控制的第三连接开关605串接在单相交流电源的两端，第三连接开关605与串接的第一电子开关601、第一连接开关603形成并联，副绕组5另通过串接的一第四连接开关606和一电容7串接在在单相交流电源的两端，串接的第二电子开关602、第二连接开关604与串接的第四连接开关、一电容形成并联。当转子2速度被加速到预设值时，可在检测模块中增加测定转子速度的功能，该控制模块控制第一连接开关603、第三连接开关605、第二连接开关604和第四连接开关606，第三连接开关605和第四连接开关606连通，第一连接开关603和第二连接开关604断开，给电机提供正常的市电，电机按同步方式运转。
实施例二
与实施例一不同的是，本永磁同步电机为三相永磁同步电机，三相永磁同步电机与单相永磁同步电机的不同之处为转子的绕组数量及同步工作电源不同；如图8所示，一种三相永磁同步电机，其包括三个绕组：绕组A、绕组B和绕组C，绕组A、绕组B和绕组C以两相邻绕组在空间上相差60度的方式绕接在该定子3的凸极铁心齿301上。
如图9所示，一种用于控制上述三相永磁同步电机的启动电路，该启动电路包括一用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关A1、一用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关B1、一用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关C1、一连接开关A2、一连接开关B2、一连接开关C2、一控制模块及一用于检测该转子位置并与该控制模块连接的检测模块，该控制模块控制电子开关A1、电子开关B1、电子开关C1一连接开关A2、一连接开关B2和一连接开关C2，电子开关A1、连接开关A2与绕组A串联地接在单相交流电源的两端，电子开关B1、连接开关B2与绕组B串联地接在单相交流电源的两端，电子开关C1、连接开关C2与绕组C串联地接在单相交流电源的两端；该控制模块通过转子的位置控制第一电子开关601和第二电子开关602轮流工作以使绕组A、绕组B和绕组C在空隙中形成旋转磁场以驱动转子的转动。
一种用于控制上述三相永磁同步电机的启动方法：据检测模块检测该转子的位置进而确认转子的磁场位置，通过转子的磁场位置来控制用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关A1、用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关B1和用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关C1间隔地轮流工作，每当其中一个绕组产生的磁场方向与转子产生的磁场方向同向时相应地电子开关停止工作，与下一个相邻绕组对应的电子开关开始工作，绕组A、绕组B、绕组C在每个通电间隔都是择一地通间断的正电流或间断的负电流，在整个启动过程中，绕组A、绕组B和绕组C都是交替地通间断的正电流和间断的负电流，以在气隙中产生旋转磁场，不停地给转子产生顺向扭力矩；刚启动时，经交流电传出来的间断的正电流和间断的负电流的频率比较小，由其产生的旋转磁场的转速远远小于同步旋转磁场的转速，以使安全地起动转子，然后逐渐增大间断的正电流和间断的负电流的频率，并在气隙中产生逐渐加速的旋转磁场，带动转子逐渐加速，当转子的转速达到预设值，控制电子开关A1、电子开关B1和电子开关C1截断并将电机切换至普通三相交流供电模式，使电机稳定运行在同步状态。
本发明不局限于上述实施例，基于上述实施例的、未做出创造性劳动的简单替换，应当属于本发明揭露的范围。
Claims (7)
1.一种控制永磁同步电机的启动电路，其特征在于，所述电机包括有N个绕组，启动电路包括N个用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流的电子开关、一控制模块及一用于检测转子位置并与所述控制模块连接的检测模块，所述N个绕组以两相邻绕组在空间上相差360/2N度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上，绕组与电子开关一一对应串联地接在交流电源的两端，所述控制模块根据所述转子的位置控制N个电子开关的轮流工作：每当其中一个绕组产生的磁场方向与转子产生的磁场方向同向时相应地电子开关停止工作，与下一个相邻绕组对应的电子开关开始工作，电子开关在其每个工作间隔中将交流电择一地转成间断的正电流或间断的负电流，且在启动过程中N个电子开关都是交替地将交流电转成间断的正电流和间断的负电流；以使N个绕组在空隙中形成旋转磁场以驱动转子的转动，N为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述绕组的数量、连接开关的数量和电子开关的数量均为两组，所述两个绕组以在空间上相差90度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上。
3.根据权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述绕组的数量、连接开关的数量和电子开关的数量均为三组，所述三个绕组以两相邻绕组在空间上相差60度的方式绕接在所述电机的定子的凸极铁心齿上。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的启动电路，其特征在于，所述绕组与所述电子开关之间还连有一受所述控制模块控制的连接开关。
5.利用权利要求1至3任意一项所述的一种控制永磁同步电机的启动电路启动电机的方法，其特征在于，据检测模块检测该转子的位置进而确认转子的磁场位置，通过转子的磁场位置来控制N个用于将交流电转成间断的正电流或间断的负电流以给到相应的绕组的电子开关间隔地轮流工作，每当其中一个绕组产生的磁场方向与转子产生的磁场方向同向时相应地电子开关停止工作，与下一个相邻绕组对应的电子开关开始工作，电子开关在其每个工作间隔中将交流电择一地转成间断的正电流或间断的负电流，且在启动过程中N个电子开关都是交替地将交流电转成间断的正电流和间断的负电流，以在气隙中产生旋转磁场，不停地给转子产生顺向扭力矩。
6.根据权利要求5所述的启动电机的方法，其特征在于，在将交流电转成间断的正电流和间断的负电流过程中，间断的正电流和间断的负电流的频率是逐渐增大以安全地驱动转子。
7.根据权利要求5所述的启动电机的方法，其特征在于，所述绕组的数量和电子开关的数量均为两组或三组。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |