一種基于矩陣變換器的三極磁軸承運(yùn)行控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種三極磁軸承驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，具體涉及將矩陣變換器應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)三極磁軸承的控制裝置，屬于高速電機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子無接觸地懸浮在空中，并且懸浮位置可以由控制系統(tǒng)控制。與傳統(tǒng)軸承相比，磁軸承具備了無摩擦磨損、無需潤滑、轉(zhuǎn)速高、精度高、壽命長等許多突出優(yōu)點(diǎn)，近年來磁懸浮軸承已經(jīng)在離心分離機(jī)、高速精密數(shù)控機(jī)床、機(jī)電電池、汽輪發(fā)電機(jī)、渦輪分子泵、生命科學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
[0003]對(duì)于三極混合或主動(dòng)磁軸承，用等效磁路法或基于麥克斯韋張量法建立的數(shù)學(xué)模型，三極磁軸承的轉(zhuǎn)子所受力的數(shù)學(xué)模型均為自身重力、力/位移系數(shù)與位移的乘積、力/電流系數(shù)與電流的乘積三者之和，控制器接收傳感器反饋的磁軸承的轉(zhuǎn)子位移信息，根據(jù)磁軸承的轉(zhuǎn)子受力表達(dá)式，在控制器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算處理后控制逆變器的輸出電流，將能使三極磁軸承的三個(gè)磁極產(chǎn)生的電磁力使轉(zhuǎn)子所受力達(dá)到平衡，進(jìn)而使三極磁軸承的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮于平衡位置。三極磁軸承傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制硬件結(jié)構(gòu)形式采用交流電整流成直流電，再由直流電逆變成交流電，或是由直流電直接逆變成交流電的結(jié)構(gòu)形式。但傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)形式中逆變環(huán)節(jié)的直流側(cè)存在儲(chǔ)能大電容，目前一般選用電解電容，電解電容存在壽命短，體積大等缺點(diǎn)，一旦損壞會(huì)對(duì)逆變器產(chǎn)生影響，降低了裝置的可靠性。
[0004]三相-三相矩陣變換器采用3X3的開關(guān)矩陣陣列結(jié)構(gòu)形式，由9個(gè)雙向開關(guān)組成，通過控制器控制這9個(gè)雙向開關(guān)的通斷，即可獲得期望的輸出電流與電壓來控制被控對(duì)象。矩陣變換器不含儲(chǔ)能電容，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、穩(wěn)定性高、能量可雙向流動(dòng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)交流電能直接進(jìn)行變換，不存在直流側(cè)的大電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。目前，矩陣變換器可應(yīng)用在電機(jī)交流傳動(dòng)、電網(wǎng)電能變換、開關(guān)電源等領(lǐng)域。應(yīng)用在永磁同步電機(jī)中的傳統(tǒng)的矩陣變換器滯環(huán)電流控制方法為在三相輸入正弦電壓的自然換向點(diǎn)處把電壓分為6個(gè)相區(qū),此時(shí)輸入電壓每一相區(qū)存在一個(gè)電壓最大值相、一個(gè)電壓最小值相,在確定矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)三相輸出電流滯環(huán)比較的結(jié)果，輸出相只與輸入的最大值相和最小值相連接。這種方法的缺點(diǎn)是:每個(gè)輸入相有1/3的時(shí)間不參與調(diào)制，會(huì)使電源側(cè)輸入電流諧波含量豐富。三極磁軸承與永磁同步電機(jī)的特性相似，其線圈可看做電機(jī)定子上的集中繞組，其線圈是阻感負(fù)載，因此，該方法也可用于驅(qū)動(dòng)三極磁軸承，但會(huì)使電源側(cè)輸入電流諧波含量豐富。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)三極磁軸承傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)存在的缺陷，提出一種基于矩陣變換器的三極磁軸承運(yùn)行控制裝置，利用三相-三相矩陣變換器對(duì)交流電直接進(jìn)行電能變換，不存在直流側(cè)的大電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，提高三極磁軸承運(yùn)行的可靠性。
[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:包括一個(gè)三相調(diào)壓器，三相調(diào)壓器輸出端依次地連接三相LC濾波器及輸入電量檢測(cè)模塊，輸入電量檢測(cè)模塊輸出端依次地連接矩陣變換器、霍爾電流傳感器及三極磁軸承，三極磁軸承上安裝有位移檢測(cè)模塊；矩陣變換器由9個(gè)雙向開關(guān)采用3X3的開關(guān)矩陣陣列形式構(gòu)成，輸入電量檢測(cè)模塊、霍爾電流傳感器及位移檢測(cè)模塊均連接信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路輸出依次連接控制電路、隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路輸出連接9個(gè)雙向開關(guān)。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0008]1、本實(shí)用新型利用三相-三相矩陣變換器對(duì)電能直接進(jìn)行變換，以DSP和CPLD作為控制器，通過控制矩陣變換器的九個(gè)雙向開關(guān)管的通斷，以矩陣變換器的輸出電流為被控量直接驅(qū)動(dòng)三極磁軸承，經(jīng)整個(gè)控制裝置的閉環(huán)調(diào)節(jié)，采用雙滯環(huán)電流控制法，使三極磁軸承的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮于平衡位置。本實(shí)用新型沒有傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制三極磁軸承的直流側(cè)大電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，增加了可靠性。
[0009]2、本實(shí)用新型把三相輸入電壓分為12個(gè)相區(qū)，使每個(gè)輸入相在整個(gè)周期內(nèi)都參與調(diào)制，改善了輸入電流波形，減小了輸入側(cè)電流諧波。
[0010]3、本實(shí)用新型適用于驅(qū)動(dòng)所有三極混合或主動(dòng)磁軸承，三極混合或主動(dòng)磁軸承可以用等效磁路法或基于麥克斯韋張量法建立數(shù)學(xué)模型，具有通用性；使得磁軸承在高速精密數(shù)控機(jī)床、離心分離機(jī)、機(jī)電電池、汽輪發(fā)電機(jī)、渦輪分子泵等眾多特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0012]圖1是本實(shí)用新型一種基于矩陣變換器的三極磁軸承運(yùn)行控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0013]圖2是圖1中矩陣變換器中的三種常用雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)圖，其中，(a)圖所示的是IGBT共射極結(jié)構(gòu)圖，(b)圖所示的是IGBT共集電極結(jié)構(gòu)圖，(c)圖所示的是IGBT橋式結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖3是圖1中隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路中的吸收保護(hù)電路原理圖；
[0015]圖4是圖1所示運(yùn)行控制裝置的控制原理圖。
[0016]圖中:1.三相調(diào)壓器；2.三相LC濾波器；3.輸入電量檢測(cè)模塊；4.矩陣變換器；5.霍爾電流傳感器；6.三極磁軸承；7.位移檢測(cè)模塊；8.信號(hào)調(diào)理電路；9.控制電路；10.隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；91、92.PID運(yùn)算模塊；93、95.2/3變換模塊；94.力/電流變換模塊；96.開關(guān)狀態(tài)換流邏輯模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0017]參見圖1，本實(shí)用新型一種基于矩陣變換器的三極磁軸承運(yùn)行控制裝置包括一個(gè)三相調(diào)壓器1，三相調(diào)壓器I的輸出端依次地連接三相LC濾波器2、輸入電量檢測(cè)模塊3、三相-三相矩陣變換器4、霍爾電流傳感器5、三極磁軸承6。矩陣變換器4由9個(gè)雙向開關(guān)采用3X3的開關(guān)矩陣陣列形式構(gòu)成。三相調(diào)壓器I接三相市電構(gòu)成輸入電源，三相LC濾波器2輸入端接三相調(diào)壓器1，三相LC濾波器2輸出端接輸入電量檢測(cè)模塊3，輸入電量檢測(cè)模塊3輸出端接矩陣變換器4，矩陣變換器4的輸出端接霍爾電流傳感器5?；魻栯娏鱾鞲衅?檢測(cè)矩陣變換器4輸出的電流，矩陣變換器4輸出的電流供給三極磁軸承6。在三極磁軸承6上安裝位移檢測(cè)模塊7，位移檢測(cè)模塊7檢測(cè)磁軸承的轉(zhuǎn)子位移信息。
[0018]輸入電量檢測(cè)模塊3、霍爾電流傳感器5以及位移檢測(cè)模塊7均連接信號(hào)調(diào)理電路8，均將輸出信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路8。信號(hào)調(diào)理電路8的輸出依次連接控制電路9、隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路10。隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路10的輸出連接矩陣變換器4的9個(gè)雙向開關(guān)?？刂齐娐?是集成DSP和CPLD的控制電路，接受來自信號(hào)調(diào)理電路8的信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部算法處理，送至隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路10，隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路10驅(qū)動(dòng)控制矩陣變換器4的9個(gè)雙向開關(guān)。
[0019]三極磁軸承6包括三極混合磁軸承或主動(dòng)磁軸承，采用星形連接方式，故輸出電流只需檢測(cè)兩相，另一相輸出電流可以通過所檢測(cè)的兩相電流計(jì)算得到。位移檢測(cè)模塊7中的位移傳感器采用電渦流位移傳感器。位移檢測(cè)模塊7中的電渦流位移傳感器安裝在三極磁軸承6的殼體上，兩個(gè)電渦流位移傳感器為一對(duì)，分別安置在三極磁軸承6的X方向與y方向，兩個(gè)電渦流位移傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子位移做差分檢測(cè)，提高了轉(zhuǎn)子位移檢測(cè)的精度。
[0020]參見圖2，矩陣變換器4中的雙向開關(guān)的結(jié)構(gòu)常用的有三種，分別是如圖2(a)所示的IGBT共射極結(jié)構(gòu)，如圖2 (b)所示的IGBT共集電極結(jié)構(gòu)，如圖2 (c)所示的IGBT橋式結(jié)構(gòu)。
[0021]參見圖3，隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路10中含有吸收保護(hù)電路，吸收保護(hù)電路如圖3所示，由電阻R1、電容C1、絕緣柵雙極型晶體管IGBT1以及12個(gè)快速二極管VD5-VD16構(gòu)成的雙側(cè)整流橋組成。吸收保護(hù)電路一端跨接在三相LC濾波器2與輸入電量檢測(cè)模塊3之間，即圖3中的一側(cè)整流橋的中間引出線ua、Ub, ?(與圖1中的ua、Ub, ?(對(duì)應(yīng)連接，吸收保護(hù)電路另一端跨接矩陣變換器4與霍爾電流傳感器5之間，即圖3中的另一側(cè)整流橋的Uk、G與圖1中的Uk、L1、G對(duì)應(yīng)連接。在正常工作條件下，吸收保護(hù)電路負(fù)責(zé)漏感儲(chǔ)能，同時(shí)吸收雙向開關(guān)通斷過程中產(chǎn)生的電壓尖峰；在系統(tǒng)突然掉電、過溫、過載或短路保護(hù)時(shí)，在保護(hù)情形下矩陣變換器4的九個(gè)雙向開關(guān)全部關(guān)斷后，為感性負(fù)載提供釋放能量的緩沖通道。
[0022]參見圖4所示，控制電路9由2個(gè)