一种磁悬浮电机运行过程的保护系统及方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种磁悬浮电机运行过程的保护系统及方法。

背景技术

磁悬浮电机采用带有磁力的轴承将电机转子无机械摩擦的悬浮在空中，使电机运行时转子与轴承之间无接触，相比于传统电机具有运行噪声小、能耗低、无摩擦、维修周期长、寿命长等优势；目前磁悬浮电机已经大量应用于鼓风机压缩机等领域。

磁悬浮电机大都应用在长时间高功率工作的场所，若电网发生骤降或者断电情况，不仅会导致变频器的欠压停机，影响电机正常工作；甚至会造成磁悬浮轴承失去控制导致电机转子跌落在保护轴承上，发生重大事故。

针对电网骤降或断电的问题，急需要一种完善的解决方案既可以保证电网短时间故障情况下，电机的正常运行和磁悬浮轴承的稳定控制。电网长时间电压未恢复时，可以实现电机的快速停机和停机过程中转子的稳定悬浮。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种磁悬浮电机运行过程的保护系统及方法，保证在电网发生骤降或短暂断电情况下既能实现变频器的正常工作，电机正常运行，又能维持磁轴承稳定控制电机转子悬浮。电网长时间断电未恢复情况下可以实现转子稳定悬浮的同时电机实现快速停机。

本发明所采取的技术方案是：

一方面，一种磁悬浮电机运行过程的保护系统，包括磁悬浮永磁同步电机、磁轴承控制模块、功率控制模块、电源供电模块以及后备电源保护模块；

所述磁悬浮永磁同步电机包括磁悬浮轴承和永磁同步电机，所述磁悬浮轴承采用线圈通电产生电磁力实现永磁同步电机转子悬浮；

所述磁轴承控制模块包括位移传感器、磁轴承控制器和功率放大器，所述位移传感器安装在磁悬浮轴承线圈位置，磁轴承控制器与位移传感器和功率放大器相连，功率放大器连接磁悬浮轴承的线圈；所述位移传感器接收永磁同步电机转子的位置信号；所述磁轴承控制器接收转子位置信号并输出控制信号至功率放大器；所述功率放大器对控制信号进行放大并对磁悬浮轴承的线圈进行供电；所述功率放大器采用四桥臂结构，采用直流电压直接对磁悬浮轴承的线圈进行供电。

所述功率控制模块包括线路开关以及变频器，所述线路开关连接变频器与电网之间，所述变频器连接线路开关和永磁同步电机之间；所述变频器包括整流电路、滤波电容、逆变电路，所述整流电路采用三相不控桥式电路将输入的交流电压整流为直流电压，所述滤波电容与整流电路和所述逆变电路并连，逆变电路连接滤波电容，采用可控桥式逆变实现变频；

所述电源供电模块包括直流开关电源和DC/DC变换器，所述直流开关电源采用220V交流的电网相电压作为输入，输出稳定的直流电为功率放大器供电；DC/DC变换器将直流开关电源输出电压作为输入，对直流开关电源输出的直流电压做直流电压变换，输出电压给磁轴承控制器以及保护系统的逻辑控制模块供电；

所述后备电源保护模块包括蓄电池组、矩阵开关、接触器、逻辑控制模块、不控整流电路、双向DC/DC变换电路、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管以及二极管，所述蓄电池组采用n个固定值的蓄电池单体串联，经过所述接触器和所述二极管连入变频器的直流母线，所述接触器包括KM1和KM2，所述接触器KM1和KM2采用互锁的形式，将KM2的常闭触点与KM1的线圈相连，KM1的常闭触点与KM2的线圈相连；蓄电池组串连接接触器KM2的常开触点和连接二极管后并连入变频器的直流母线，在第m个蓄电池单体处连接接触器KM1常开触点后与KM2常开触点并联通过二极管连接变频器直流母线，其中m∈(0，n)，蓄电池组由电网充电；所述不控整流电路连接永磁同步电机的输出端；所述矩阵开关连接蓄电池组输出端，包含两个接入选择触点，采用触点将蓄电池组等分接入，每组有k个电池单体，k∈(0，n)，其中总电压值小于开关电源输出稳定电压，采用计时方式在设定的固定时间做接入蓄电池组的切换；所述第一晶闸管连接不控整流电路输出端，所述第二第三晶闸管分别连接直流开关电源和变频器的直流母线输出端，所述双向DC/DC电路采用电机输出电压或矩阵开关选取电压作为输入，将双向DC/DC电路直流母线电压作为输出，用于对转速v>v

另一方面，一种磁悬浮电机运行过程的保护方法，基于前述一种磁悬浮电机运行过程的保护系统实现，包括变频器保护方法和磁悬浮轴承保护方法，具体包括以下步骤；

所述变频器保护方法包括以下步骤：

步骤S1：当电网正常供电时，变频器直流母线电压大于欠压值，通过逻辑控制模块中的电压采集装置采集变频器直流母线电压在变频器保护设定检测值以上时，通过驱动电路给KM1线圈通入高电平、给KM2线圈通入低电平，使KM1常开触点闭合，KM2常开触点断开，m个固定值的蓄电池单体通过二极管连入变频器直流母线，二极管承受反向电压，蓄电池组没有供电；

步骤S2：当电网电压发生骤降或短时断电时，电容两端变频器直流母线电压快速下降，降至为m个固定值的蓄电池单体电压之和时，m个固定值的蓄电池单体直接通过二极管连入变频器直流母线，为变频器供电；当逻辑控制模块中的电压采集装置采集变频器直流母线电压小于变频器保护设定检测值时，通过驱动电路给KM1线圈通入低电平、给KM2线圈通入高电平，致使KM1常开触点断开，KM2常开触点闭合，使n个固定值的蓄电池单体全部接入变频器直流母线，实现电机短时间正常供电。

步骤S3：当检测到变频器直流母线电压重回变频器保护设定检测值以上时，驱动电路通过驱动电路给KM1线圈通入高电平、给KM2线圈通入低电平，使KM1常开触点闭合，KM2常开触点断开；变频器重回由电网供电状态。

所述磁悬浮轴承保护方法包括以下步骤：

步骤D1：当电网正常供电时，直流开关电源输入端电压大于无隙切换设定检测值，直流开关电源输出稳定的直流电压为磁轴承控制模块供电；通过逻辑控制模块中的电压采集装置采集直流开关电源输入端电压即电网相电压大于无隙切换设定检测值时，驱动电路给第二晶闸管门极高电平，由开关电源给磁轴承控制系统供电；当检测到电网相电压小于无隙切换设定检测值时，给第三晶闸管门极高电平，当直流开关电源输出电压稳定值时时，第三晶闸管正向导通，第二晶闸管反向截止，磁轴承控制系统由蓄电池升压提供的双向DC/DC变换电路直流母线电压供电。

步骤D2：当检测到电网相电压恢复在正常工作范围以内时维持5s稳定时，给第二晶闸管门极高电平，并通过双闭环控制调节使由蓄电池升压提供的双向DC/DC变换电路直流母线电压降至小于直流开关电源输出稳定值维持1ms后再将调至直流开关电源输出稳定值，保证第三晶闸管反向截止，此时第二晶闸管导通，由直流开关电源继续给磁轴承控制系统供电。步骤D1-D2中磁轴承控制系统电压始终保持稳定，实现磁轴承控制系统供电的无间隙切换。

步骤D3：当电网发生断电未恢复时，蓄电池组为变频器直流母线持续供电后电压降至欠压值以下，变频器因欠压停止工作；通过逻辑控制模块中的电流采集装置采集到变频器与电机之间的电流为0时，驱动电路给不控整流电路后的晶闸管门极高电平，将电机发出的电压连入双向DC/DC变换电路中，电机转速v>v

步骤D4：当电机转速降低到v

所述磁悬浮轴承保护方法中，双闭环控制将逻辑控制器中的电压理想值Udc*与电压采集装置采集到的直流母线电压真实值Udc做差，通过保护逻辑控制器进行PI调节输出蓄电池电流的理想值；

若输出蓄电池电流的理想值为正值，则保持第二IGBT为断开状态，将蓄电池电流的理想值与蓄电池电流真实值做差，通过升压PI调节(P>0)再通过驱动电路生成PWM波控制第一IGBT开关管，实现蓄电池的Boost升压过程，此时由蓄电池升压提供双向DC/DC变换电路直流母线电压；

若所得值为负值，则保持第一IGBT为断开状态，将蓄电池电流的理想值与电流真实值做差，通过降压PI调节(P<0)再通过驱动电路生成PWM波控制第二IGBT开关管，使电机输出电压经整流滤波后的电压实现Buck降压过程，此时为电机的制动过程由电机输出电压提供双向DC/DC变换电路直流母线电压。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提出一种磁悬浮电机运行过程的保护系统及方法，在电网电压骤降或短时断电时，不仅能实现转子的稳定悬浮，也能实现电机不停转继续工作。采用了无隙切换技术，实现了磁轴承控制系统在电网断电时供电电压稳定无波动。在电网断电无法恢复时，不仅保证电机转子的稳定悬浮，还加速电网故障情况下电机的制动，实现转子的快速停机。采用了电池的计时分配使用，使蓄电池组电压达到均匀分配。整个磁悬浮电机运行过程做了全方位的保护，提高了磁悬浮电机的使用可靠性。

附图说明

图1为本发明磁悬浮永磁同步电机运行过程的保护系统；

其中1-线路开关2-变频器3-磁悬浮永磁同步电机4-磁轴承控制模块5-位移传感器6-磁轴承控制器7-功率放大器8-二极管9-蓄电池组10-矩阵开关11-不控整流电路12-第一晶闸管13-第三晶闸管14-第二晶闸管15-双向DC/DC变换电路16-第一滤波电容17-电阻18-第二滤波电容19-第二IGBT 20-第一IGBT 21-电感22-直流开关电源23-DC/DC变换器24-逻辑控制模块25-KM1接触器26-KM2接触器；

图2为本发明实施例变频器保护方法流程图；

图3为本发明实施例磁悬浮轴承保护方法流程图；

图4为本发明实施例双向DC/DC变换过程中两个IGBT控制信号生成原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一方面，一种磁悬浮电机运行过程的保护系统，如图1所示，包括磁悬浮永磁同步电机(1)、磁轴承控制模块(4)、功率控制模块、电源供电模块以及后备电源保护模块；

所述磁悬浮永磁同步电机(1)包括磁悬浮轴承和永磁同步电机，所述磁悬浮轴承采用线圈通电产生电磁力实现电机转子稳定悬浮；

所述磁轴承控制模块(4)包括位移传感器(5)、磁轴承控制器(6)和功率放大器(7)，位移传感器(5)安装在磁悬浮轴承线圈位置，磁轴承控制器(6)与位移传感器(5)和功率放大器(7)相连，功率放大器(7)连接磁悬浮轴承的线圈；所述位移传感器(5)接收永磁同步电机转子的位置信号；所述磁轴承控制器(6)接收转子位置信号并输出控制信号至功率放大器(7)；所述功率放大器(7)对控制信号进行放大并对磁悬浮轴承的线圈进行供电；所述功率放大器(7)采用四桥臂结构，本实施例中采用110V采用直流电压直接对磁悬浮轴承的线圈进行供电。

所述功率控制模块包括线路开关(1)以及变频器(2)，所述线路开关(1)连接变频器(2)与电网之间，所述变频器(2)连接线路开关(1)和永磁同步电机之间；所述变频器(2)包括整流电路、滤波电容、逆变电路，所述整流电路采用三相不控桥式电路将输入的交流电压整流为直流电压，所述滤波电容与整流电路和所述逆变电路并连，逆变电路连接滤波电容，采用可控桥式逆变实现变频；

所述电源供电模块包括直流开关电源(22)和DC/DC变换器(23)，用于对上述的磁轴承控制模块以及后备电源保护模块中的逻辑控制模块(24)进行供电；所述直流开关电源(22)采用220V交流的电网相电压作为输入，输出稳定的110V直流电为功率放大器(7)供电，当输入相电压在180-260V之间时，输出都为稳定的直流110V电压，直接为功率放大器(7)供电；DC/DC变换器(23)将直流开关电源(22)输出电压作为输入，对直流开关电源(22)输出的直流电压做直流电压变换，输出电压给磁轴承控制器(6)以及保护系统的逻辑控制模块(24)供电；

所述后备电源保护模块包括蓄电池组(9)、矩阵开关(10)、接触器、逻辑控制模块(24)、不控整流电路(11)、双向DC/DC变换电路(15)、第一晶闸管(12)、第二晶闸管(14)、第三晶闸管(13)以及二极管(8)，所述蓄电池组(9)用于给变频器(2)直流母线做后备电源，采用n个固定值的蓄电池单体串联，本实施例中采用45个12V的单体串联形成540V电压，经过所述接触器和所述二极管(8)连入变频器(2)的直流母线，所述接触器包括KM1(25)和KM2(26)，所述接触器KM1(25)和KM2(26)采用互锁的形式，将KM2(26)的常闭触点与KM1(25)的线圈相连，KM1(25)的常闭触点与KM2(26)的线圈相连；蓄电池组(9)串连接触器KM2(26)的常开触点和连接二极管(8)后并连入变频器(2)的直流母线，在第m个蓄电池单体处连接接触器KM1(25)常开触点后与KM2(26)常开触点并联通过二极管(8)连接变频器(2)直流母线，其中m∈(0，n)，蓄电池组(9)由电网充电；所述不控整流电路(11)连接永磁同步电机的输出端；所述矩阵开关(10)连接蓄电池组(9)输出端，包含两个接入选择触点，采用触点将蓄电池组(9)等分接入，每组有k个电池单体，k∈(0，n)，其中总电压值小于开关电源输出稳定电压，本实施例中采用六个触点将蓄电池组(9)5等分接入，每小组有9个电池单体，即108V电压，采用计时方式在设定的固定时间做接入蓄电池组(9)的切换；所述第一晶闸管(12)连接不控整流电路(11)输出端，所述第二(14)第三晶闸管(13)分别连接直流开关电源(22)和变频器(2)的直流母线输出端，所述双向DC/DC电路采用电机输出电压或矩阵开关(10)选取电压作为输入，将双向DC/DC电路直流母线电压作为输出，用于对转速v>vs时电机输出的电压进行降压，其中vs为设定转速阈值，电机转速v

另一方面，一种磁悬浮电机运行过程的保护方法，基于前述一种磁悬浮电机运行过程的保护系统实现，实现在电网骤降或短时断电时通过蓄电池组(9)接入变频器(2)直流母线，保证变频器(2)直流母线电压一直在欠压值以上，短时间维持电机正常工作；双向DC/DC变换电路将通过矩阵开关(10)接入的蓄电池组中9个蓄电池单体进行升压维持双向DC/DC变换电路直流母线电压为110V，实现与直流开关电源(22)无隙切换，保证磁轴承控制模块正常工作；当长时间电网电压没有恢复，蓄电池组无法提供变频器(2)正常直流母线电压值时，变频器(2)停止工作，先采用双向DC/DC变换电路(15)将高速时电机发出的电降压成110V电压为磁轴承控制模块供电的同时，电阻(17)消耗电能实现电机快速制动；电机转速降至足够低时，通过将蓄电池组中接入双向DC/DC变换电路(15)的蓄电池转换为110V电压为磁轴承控制模块供电。

包括变频器保护方法和磁悬浮轴承保护方法，具体包括以下步骤；

所述变频器保护方法包括以下步骤：

步骤S1：当电网正常供电时，变频器直流母线电压大于欠压值390V，通过逻辑控制模块中的电压采集装置采集变频器直流母线电压在变频器保护设定检测值400V以上时，通过驱动电路给KM1线圈通入高电平、给KM2线圈通入低电平，使KM1常开触点闭合，KM2常开触点断开，本实施例中34个12V的蓄电池单体(408V)通过二极管连入变频器直流母线，但由于直流母线电压高于408V，故二极管承受反向电压，蓄电池组没有供电；

步骤S2：当电网电压发生骤降或短时断电时，电容两端变频器直流母线电压快速下降至408V以下时，34个12V蓄电池单体(408V)直接通过二极管连入变频器直流母线，为变频器供电；当逻辑控制模块中的电压采集装置采集变频器直流母线电压小于变频器保护设定检测值400V时，通过驱动电路给KM1线圈通入低电平、给KM2线圈通入高电平，致使KM1常开触点断开，KM2常开触点闭合，使45个12V蓄电池单体全部接入变频器直流母线，实现电机短时间正常供电。

步骤S3：当检测到变频器直流母线电压重回变频器保护设定检测值400V以上时，驱动电路通过驱动电路给KM1线圈通入高电平、给KM2线圈通入低电平，使KM1常开触点闭合，KM2常开触点断开；变频器重回由电网供电状态。

所述磁悬浮轴承保护方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤D1：当电网正常供电时，直流开关电源输入端电压大于无隙切换设定检测值180V，直流开关电源输出稳定的110V直流电压为磁轴承控制模块供电；通过逻辑控制模块中的电压采集装置采集直流开关电源输入端电压即电网相电压大于无隙切换设定检测值180V时，驱动电路给第二晶闸管门极高电平，由开关电源给磁轴承控制系统供电；当检测到电网相电压小于无隙切换设定检测值180V时，给第三晶闸管门极高电平，当直流开关电源输出电压稳定值110V时，第三晶闸管正向导通，第二晶闸管反向截止，磁轴承控制系统由蓄电池升压提供的双向DC/DC变换电路直流母线电压供电。

步骤D2：当检测到电网相电压恢复在正常工作范围198-235V以内时维持5s稳定时，给第二晶闸管门极高电平，并通过双闭环控制调节使由蓄电池升压提供的双向DC/DC变换电路直流母线电压降至100V维持1ms后再将调至直流开关电源输出稳定值110V，保证第三晶闸管反向截止，此时第二晶闸管导通，由直流开关电源继续给磁轴承控制系统供电。步骤D1-D2磁轴承控制系统电压始终保持稳定，实现磁轴承控制系统供电的无间隙切换。

步骤D3：当电网发生断电未恢复时，蓄电池组为变频器直流母线持续供电后电压降至欠压值390V以下，变频器因欠压停止工作；通过逻辑控制模块中的电流采集装置采集到变频器与电机之间的电流为0时，驱动电路给不控整流电路后的晶闸管门极高电平，将电机发出的电压连入双向DC/DC变换电路中，电机转速v>vs时，由电机输出电压提供双向DC/DC变换电路直流母线电压，再通过无隙切换实现为磁轴承控制器、功率放大器、保护逻辑控制器供电，实现断电情况下磁轴承的稳定悬浮，同时双向DC/DC变换电路中的电阻消耗电能，实现电网断电情况下电机的快速制动。

步骤D4：当电机转速降低到v

所述磁悬浮轴承保护方法中，双闭环控制将逻辑控制器中的电压理想值Udc*与电压采集装置采集到的直流母线电压真实值Udc做差，通过保护逻辑控制器进行PI调节输出蓄电池电流的理想值，如图4所示；

若输出蓄电池电流的理想值为正值，则保持第二IGBT为断开状态，将蓄电池电流的理想值与蓄电池电流真实值做差，通过升压PI调节(P>0)再通过驱动电路生成PWM波控制第一IGBT开关管，实现蓄电池的Boost升压过程，此时由蓄电池升压提供双向DC/DC变换电路直流母线电压；

若所得值为负值，则保持第一IGBT为断开状态，将蓄电池电流的理想值与电流真实值做差，通过降压PI调节(P<0)再通过驱动电路生成PWM波控制第二IGBT开关管，使电机输出电压经整流滤波后的电压实现Buck降压过程，此时为电机的制动过程由电机输出电压提供双向DC/DC变换电路直流母线电压。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。