本实用新型属于电气工程电机控制技术领域，具体地说，涉及永磁同步电机电动及发电交替运行系统。
背景技术：
现有的研究证明，在永磁同步电机电动及发电运行状态时，如果保持直流电压不变，当转子运行在低速情况下时，定子绕组需要的电压低，则只有通过减小PWM脉冲的宽度来实现调速，但是这样会使定子绕组端电压中实际谐波分量增加，从而造成定子绕组电流脉动，使永磁同步电机的动静态特性变差。
因此，有必要提出一种在高速、低速运行状态下都能保持良好运行状态的永磁同步电机电动及发电交替运行系统。
技术实现要素：
为了克服背景技术中存在的问题，本实用新型提供永磁同步电机电动及发电交替运行系统，其作用是通过调节电路运行状态，使永磁同步电机无论运行在发电机状态还是电动机状态，都能克服其在低速区域转矩脉动大，动静态特性差，控制性能不好的问题。
为了实现上述目的，本实用新型是按照以下技术方案实施的：
所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统包括变压器T1、三相全桥四象限整流电路，永磁同步电机5、开关系统6、电容7；
其中，
所述的变压器T1包括原边和副边，变压器T1原边为三相电源电压输入端A相、B相、C相，副边为两组，一组为三相电压输出端A1 相、B1相、C1相，另一组为三相电压输出端A2相、B2相、C2相；
所述的三相全桥四象限整流电路包括三相全桥四象限整流电路 U012、三相全桥四象限整流电路U023、三相全桥四象限整流电路U034；
所述的开关系统6包括直流接触器开关触点和电阻，直流接触器包括KM01、KM02，KM01包括KM01-1直流接触器的第一对触点和KM01-2 直流接触器的第二对触点，KM02包括KM02-1直流接触器的第一对触点和KM02-2直流接触器的第二对触点，电阻包括限流电阻R01和限流电阻R02；
电容7包括电容C01和电容C02；
三相全桥四象限整流电路U012，包括V01、V02、V03、V04、V05、 V06，VD01、VD02、VD03、VD04、VD05、VD06；V01与VD01反向并联， V02与VD02反向并联，V03与VD03反向并联，V04与VD04反向并联， V05与VD05反向并联，V06与VD06反向并联；V01阴极与V02阳极相连，V03阴极与V04阳极相连，V05阴极与V06阳极相连；V01、V03、 V05阳极与直流传输线U1连接，V02、V04、V06阴极与直流传输线 U2连接；变压器副边中的电压输出端A1相与V01阴极相连，电压输出端B1相与V03阴极相连，电压输出端C1相与V05阴极相连；
三相全桥四象限整流电路U02 3，包括V07、V08、V09、V10、V11、V12，VD07、VD08、VD09、VD10、VD11、VD12；V07与VD07反向并联， V08与VD08反向并联，V09与VD09反向并联，V10与VD10反向并联， V11与VD11反向并联，V12与VD12反向并联；V07阴极与V08阳极相连，V09阴极与V10阳极相连，V11阴极与V12阳极相连；V07、V09、 V11阳极与直流传输线U2连接，V08、V10、V12阴极与直流传输线 U3连接；变压器副边中的电压输出端A2相与V07阴极相连，电压输出端B2相与V09阴极相连，电压输出端C2相与V11阴极相连；
三相全桥四象限整流电路U034，包括V13、V14、V15、V16、V17、 V18、V19、V20，VD13、VD14、VD15、VD16、VD17、VD18、VD19、VD20、 VD21、VD22、VD23、VD24，V13与VD13反向并联，V14与VD14反向并联，V15与VD15反向并联，V16与VD16反向并联，V17与VD17反向并联，V18与VD18反向并联，V19与VD19反向并联，V20与VD20 反向并联，V21与VD21反向并联，V22与VD22反向并联，V23与VD23 反向并联，V24与VD24反向并联；V13阴极与V14阳极相连，V15阴极与V16阳极相连，V17阴极与V18阳极相连，V19阴极与V20阳极相连，V21阴极与V22阳极相连，V23的阴极与V24的阳极相连；V14 阴极与V15阳极相连，V18阴极与V19阳极相连，V22阴极与V23阳极相连，V13、V17、V21阳极与直流传输线U1连接，V16、V20、V24 阴极与直流传输线U3连接；VD25阴极与V13阴极相连接，VD27阴极与V17阴极相连接，VD29阴极与V21阴极相连接，VD26阳极与V15 阴极相连接，VD28阳极与V19阴极相连接，VD30阳极与V23阴极相连接，VD25、VD27、VD29的阳极与直流传输线U2连接，VD26、VD28、 VD30的阴极与直流传输线U2连接；
KM02-1与电阻R01串联后，KM02-1、电阻R01串联后再与KM01-1 并联，KM01-1、KM02-1一端与V01、V03、V05阳极相连，另一端与直流传输线U1相连；KM02-2与电阻R02串联后，KM02-2、电阻R02 再与KM01-2并联，KM02-2、KM01-2一端与V07、V09、V11阳极相连，另一端与直流传输线U2相连；
电容C01一端与直流传输线U1连接，另一端与直流传输线U2连接；电容C02一端与直流传输线U2连接，另一端与直流传输线U3连接；
所述的V14、V18、V22的阴极分别与永磁同步电机5三相输入端相连。
所述的V01-V24为全控型电力电子开关。
所述的VD01-VD30为电力二极管。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供永磁同步电机电动及发电交替运行系统，当实现变直流电压逆变电路后，直流电压适配转子的旋转速度，转速越高，直流电压越高，转速越低，直流电压越低，从而使逆变后的定子绕组端电压的谐波分量减小，定子绕组电流波形平滑，永磁同步电机的动静态特性变好。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
图中，1-变压器T、2-三相全桥四象限整流电路U01、3-三相全桥四象限整流电路U02、4-三相全桥四象限整流电路U03、5-永磁同步发电机、6-开关系统、7-电容。
具体实施方式
附图中的标注为：
S——三相交流电源；
A、B、C——变压器三相电源输入；
A1、B1、C1——变压器三相输出；
A2、B2、C2——变压器三相输出；
R01——限流电阻；
R02——限流电阻；
M01——永磁同步电机；
U01——三相四象限整流电路；
U02——三相四象限整流电路；
U03——变直流电压三相逆变电路；
U1——直流传输线；
U2——直流传输线；
U3——直流传输线。
为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。
如图1所示，本实用新型公开永磁同步电机电动及发电交替运行系统，其技术方案为：
所述的永磁同步电机电动及发电交替运行系统包括变压器T1、三相全桥四象限整流电路，永磁同步电机5、开关系统6、电容7；
其中，所述的变压器T1包括原边和副边，变压器T1原边为三相电源电压输入端A相、B相、C相，副边为两组，一组为三相电压输出端A1相、B1相、C1相，另一组为三相电压输出端A2相、B2相、 C2相；
所述的三相全桥四象限整流电路包括三相全桥四象限整流电路 U012、三相全桥四象限整流电路U023、三相全桥四象限整流电路U034；
所述的开关系统6包括直流接触器开关触点和电阻，直流接触器包括KM01、KM02，KM01包括KM01-1直流接触器的第一对触点和KM01-2 直流接触器的第二对触点，KM02包括KM02-1直流接触器的第一对触点和KM02-2直流接触器的第二对触点，电阻包括限流电阻R01和限流电阻R02；
电容7包括电容C01和电容C02；
三相全桥四象限整流电路U012，包括V01、V02、V03、V04、V05、 V06，VD01、VD02、VD03、VD04、VD05、VD06；V01与VD01反向并联， V02与VD02反向并联，V03与VD03反向并联，V04与VD04反向并联， V05与VD05反向并联，V06与VD06反向并联；V01阴极与V02阳极相连，V03阴极与V04阳极相连，V05阴极与V06阳极相连；V01、V03、 V05阳极与直流传输线U1连接，V02、V04、V06阴极与直流传输线U2连接；变压器副边中的电压输出端A1相与V01阴极相连，电压输出端B1相与V03阴极相连，电压输出端C1相与V05阴极相连；三相全桥四象限整流电路U012既可以把变压器T的能量传输给直流传输线 U1和U2，又可以把直流传输线U1和U2的能量反向输送给变压器T，从而保持直流传输线U1和U2间电压的稳定。
三相全桥四象限整流电路U02 3，包括V07、V08、V09、V10、V11、 V12，VD07、VD08、VD09、VD10、VD11、VD12；V07与VD07反向并联， V08与VD08反向并联，V09与VD09反向并联，V10与VD10反向并联， V11与VD11反向并联，V12与VD12反向并联；V07阴极与V08阳极相连，V09阴极与V10阳极相连，V11阴极与V12阳极相连；V07、V09、 V11阳极与直流传输线U2连接，V08、V10、V12阴极与直流传输线 U3连接；变压器副边中的电压输出端A2相与V07阴极相连，电压输出端B2相与V09阴极相连，电压输出端C2相与V11阴极相连；三相全桥四象限整流电路U012既可以把变压器T的能量传输给直流传输线 U2和U3，又可以把直流传输线U2和U3的能量反向输送给变压器T，从而保持直流传输线U2和U3间电压的稳定。
三相全桥四象限整流电路U034，包括V13、V14、V15、V16、V17、 V18、V19、V20，VD13、VD14、VD15、VD16、VD17、VD18、VD19、VD20、 VD21、VD22、VD23、VD24，V13与VD13反向并联，V14与VD14反向并联，V15与VD15反向并联，V16与VD16反向并联，V17与VD17反向并联，V18与VD18反向并联，V19与VD19反向并联，V20与VD20 反向并联，V21与VD21反向并联，V22与VD22反向并联，V23与VD23 反向并联，V24与VD24反向并联；V13阴极与V14阳极相连，V15阴极与V16阳极相连，V17阴极与V18阳极相连，V19阴极与V20阳极相连，V21阴极与V22阳极相连，V23的阴极与V24的阳极相连；V14 阴极与V15阳极相连，V18阴极与V19阳极相连，V22阴极与V23阳极相连，V13、V17、V21阳极与直流传输线U1连接，V16、V20、V24 阴极与直流传输线U3连接；VD25阴极与V13阴极相连接，VD27阴极与V17阴极相连接，VD29阴极与V21阴极相连接，VD26阳极与V15 阴极相连接，VD28阳极与V19阴极相连接，VD30阳极与V23阴极相连接，VD25、VD27、VD29的阳极与直流传输线U2连接，VD26、VD28、 VD30的阴极与直流传输线U2连接；变直流电压三相逆变电路U03能够根据永磁同步电机的转速改变直流电压，从而降低输出转矩波动。
KM02-1与电阻R01串联后，KM02-1、电阻R01再与KM01-1并联， KM01-1、KM02-1一端与V01、V03、V05阳极相连，另一端与直流传输线U1相连；KM02-2与电阻R02串联后，KM02-2、电阻R02再与KM01-2 并联，KM02-2、KM01-2一端与V07、V09、V11阳极相连，另一端与直流传输线U2相连。
电容C01一端与直流传输线U1连接，另一端与直流传输线U2连接；电容C02一端与直流传输线U2连接，另一端与直流传输线U3连接，使电源直接为电容C01和C02充电。
所述的V14、V18、V22的阴极分别与永磁同步电机5三相输入端相连。
优选的，所述的V01-V24为全控型电力电子开关。
优选的，所述的VD01-VD30为电力二极管。
本实用新型的工作过程：永磁同步电机电动及发电交替运行系统的工作方式：
当永磁同步电机做电动机恒速运行时，由于转子旋转速度和定子等效磁极的旋转速度相等，所以，转子的旋转速度由定子等效磁极的旋转速度确定，而定子等效磁极的旋转速度由定子三相绕组中电流的频率确定。随着负载的变化，定子三相绕组中的电流的幅值也需要跟随变化，否则，定子三相绕组电流的幅值过小会引起失步，定子三相绕组电流的幅值过大，则会引起励磁电流过大。
在永磁同步电机做电动机运行时，通过编码器测量转子旋转角度，通过定子电流测量定子等效磁极的旋转角度。
定子等效磁极的旋转角度与转子旋转角度之差为定子等效磁极与转子磁极的相位差。
本实施例是实施例1的永磁同步电机电动及发电交替运行作为电动机的控制方法：
步骤1.在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度。
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系。
在永磁同步电机空载情况下，转子磁极与定子等效磁极的相位差可以忽略不计，认为相等，所以，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置。
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度。
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量。
定子等效磁极与转子磁极的相位差的余弦函数值再与定子电流幅值相乘就得到定子绕组电流的励磁分量。
步骤5.控制定子绕组电流的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小。
当定子绕组电流励磁分量大时，减小定子绕组电流，定子等效磁极与转子磁极的相位差增加，定子绕组电流励磁分量就会减小；相反，当定子绕组电流励磁分量小时，增加定子绕组电流，定子等效磁极与转子磁极的相位差减小，定子绕组电流励磁分量就会增加。
步骤6.控制定子绕组端电压幅值，从而控制定子绕组电流的大小。
定子绕组电流的大小由定子绕组端电压控制，当需要增加定子绕组电流，是通过增加定子绕组端电压幅值，当需要减小定子绕组电流时，减小定子绕组端电压幅值。
步骤7.控制变直流电压三相逆变电路U034的逆变输出电压，从而控制定子绕组端电压幅值的大小。
根据PWM调制方法，变直流电压三相逆变电路U034输出三相对称的交流电压。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/4以下时，按照第一种电压调节方法进行逆变控制,即三相全桥四象限整流电路U012工作在自然整流状态，三相全桥四象限整流电路U023工作在空闲状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/4和Ud/2之间时，按照第二种电压调节方法进行逆变控制，三相全桥四象限整流电路U012 工作在空闲状态，三相全桥四象限整流电路U023工作在自然整流状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/2和3Ud/4之间时，按照第三种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路 U01工作在自然整流状态，三相全桥四象限整流电路U023也工作在自然整流状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在3Ud/4和Ud之间时，按照第四种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路 U012工作在受控整流状态，三相全桥四象限整流电路U023工作在自然整流状态。
永磁同步电机作为发电机运行时，能量需要通过变直流电压三相逆变电路U034传输给直流环节。
永磁同步电机运行在发电机状态，需要定子绕组端电压的相位超前定子绕组电流的相位，并且相位差大于90°。
本实施例是实施例1的永磁同步电机电动及发电交替运行作为发电机的控制方法：
步骤1.在永磁同步电机内安装编码检测器，实时检测编码器的位置，也就是转子旋转的角度。
步骤2.在永磁同步电机投入运行前，对编码器和三相定子电流的相位关系进行映射性地标定，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置，从而确定定子电流相位与定子等效磁极位置的关系。
在永磁同步电机空载情况下，转子磁极与定子等效磁极的相位差可以忽略不计，认为相等，所以，此时转子旋转的位置就是定子等效磁极旋转的位置。
步骤3.通过电流相位确定定子等效磁极的位置，即通过标定，测量定子电流的相位来确定定子等效磁场的空间旋转角度。
步骤4.确定定子绕组电流的励磁分量。
定子等效磁极与转子磁极的相位差的余弦函数值再与定子电流幅值相乘就得到定子绕组电流的励磁分量。
步骤5.控制变直流电压三相逆变电路U03输出的等效电压的大小，从而控制定子绕组电流励磁分量大小。
当定子绕组电流励磁分量大于参考值时，需要减小定子绕组电流，增加变直流电压三相逆变电路U034输出的等效电压，定子绕组电流减小，定子等效磁极与转子磁极的相位差增加，定子绕组励磁电流分量减小。
当定子绕组电流励磁分量小于参考值时，需要增加定子绕组电流，减小变直流电压三相逆变电路U034输出的等效电压，定子绕组电流增加，定子等效磁极与转子磁极的相位差减小，定子绕组励磁电流分量增加。
根据PWM调制方法，变直流电压三相逆变电路U034输出三相对称的交流电压。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/2以下时，按照第一种电压调节方法进行逆变控制，三相全桥四象限整流电路U012工作在逆变状态，把直流传输线U1和U2的能量传输给电网，三相全桥四象限整流电路U023工作在空闲状态。
当定子绕组的端电压的幅值需求大小在Ud/2和3Ud/4之间时，按照第二种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路 U012工作在空闲状态，三相全桥四象限整流电路U023工作在逆变状态，把直流传输线U2和U3的能量传输给电网。
当定子绕组的端电压的幅值需求大于3Ud/4时，按照第三种电压调节方法进行逆变控制，此时三相全桥四象限整流电路U012工作在逆变状态，把直流传输线U1和U2的能量传输给电网，三相全桥四象限整流电路U023工作在逆变状态，把直流传输线U2和U3的能量传输给电网。
变直流电压三相逆变电路控制：
在永磁同步电机运行过程中，转子旋转速度和定子绕组电压近似成正比，转子旋转速度越快，定子绕组电压需要越高，转子旋转速度越慢，定子绕组电压需要越低。
在使用逆变电路控制的永磁同步电机中，定子绕组电压是通过 PWM调制波等效实现的。如果保持直流电压不变，当转子运行在低速情况下时，定子绕组需要的电压低，则只有通过减小PWM脉冲的宽度来实现，使定子绕组端电压中实际谐波分量增加，从而定子绕组电流脉动，使永磁同步电机的动静态特性变差。
当实现变直流电压逆变电路后，直流电压适配转子的旋转速度，转速越高，直流电压越高，转速越低，直流电压越低，从而使逆变后的定子绕组端电压的谐波分量减小，定子绕组电流波形平滑，永磁同步电机的动静态特性变好。变直流电压三相逆变电路有四种电压运行方式。
由于永磁同步电机定子电压与转子旋转速度成近似的线性关系，所以，可以把定子绕组额定电压和转子额定转速的比值作为一个常数。转子实际旋转速度除以转子额定旋转速度所得到的值乘以这个常数，就是定子绕组端电压需要的近似值。
当永磁同步电机做电动机运行时，如果转子的旋转速度在额定转速的1/4以下，则定子绕组端电压需要的值在Ud/4以下，变直流电压三相逆变电路U034工作在第一种运行方式，此时定子绕组的端电压与反电动势的差较小，定子绕组电流的变化较小，总体上定子绕组电流的谐波小，定子等效磁极的磁感应强度和转速的脉动小，转子机械转矩波动减小。
如果转子的旋转速度在额定转速的1/4到1/2之间，则定子绕组端电压需要的值在Ud/4到Ud/2之间，变直流电压三相逆变电路U034 工作在第二种运行方式；转子机械转矩波动减小的原因同上。
如果转子的旋转速度在额定转速的1/2到3/4之间，则定子绕组端电压需要的值在Ud/2到3Ud/4之间，变直流电压三相逆变电路U034 工作在第三种运行方式；转子机械转矩波动减小的原因同上。
如果转子的旋转速度在额定转速的3/4到1之间，则定子绕组端电压需要的值在3Ud/4到Ud之间，变直流电压三相逆变电路U034工作在第四种运行方式；转子机械转矩波动减小的原因同上。
所以，无论是永磁同步电机在电动机还是发电机运行状态，无论是低速运行还是高速运行，都能够有合适的直流电压相适配，减小永磁同步电机的机械转矩波动。
实施例3.变直流电压三相逆变电路U034工作的第一种运行方式，实现跟随电压调节。
步骤1.V14、V18、V22一直给开通控制信号，V16、V20、V24一直给关断控制信号。
步骤2.V13和V15呈互补性控制，即给V13开通信号时给V15关断信号，给V13关断信号时给V15开通信号。
步骤3.V17和V19呈互补性控制，即给V17开通信号时给V19关断信号，给V17关断信号时给V19开通信号。
步骤4.V21和V23呈互补性控制，即给V21开通信号时给V23关断信号，给V21关断信号时给V23开通信号。
步骤5.这样构成了第一个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12，即为Ud/4。
变直流电压三相逆变电路U034工作的第二种运行方式，实现跟随电压调节：
步骤1.V15、V19、V23一直给开通控制信号，V13、V17、V21一直给关断控制信号。
步骤2.V14和V16呈互补性控制，即给V14开通信号时给V16关断信号，给V14关断信号时给V16开通信号；
步骤3.V18和V20呈互补性控制，即给V18开通信号时给V20关断信号，给V18关断信号时给V20开通信号；
步骤4.V22和V24呈互补性控制，即给V22开通信号时给V24关断信号，给V22关断信号时给V24开通信号。
步骤5.这样构成了第二个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U23，即为Ud/2。
变直流电压三相逆变电路U034工作的第三种运行方式，实现跟随电压调节。
步骤1.V13、V14和V15、V16呈互补性控制，即给V13、V14通信号时给V15、V16关断信号，给V13、V14关断信号时给V15、V16 开通信号
步骤2.V17、V18和V19、V20呈互补性控制，即给V17、V18开通信号时给V19、V20关断信号，给V17、V18关断信号时给V19、V20 开通信号；
步骤3.V21、V22和V23、V24呈互补性控制，即给V21、V22开通信号时给V23、V24关断信号，给V21、V22关断信号时给V23、V24 开通信号。
步骤4.这样构成了第三个两电平逆变电路，这个逆变电路的直流电压为U12加U23，即为3Ud/4。
变直流电压三相逆变电路U034工作的第四种运行方式，实现跟随电压调节。
步骤1.U01工作在四象限整流状态下。
步骤2.调节电压U12，使电压U12等于U23的电压，并且U12与U23的电压相加为电压Ud。
步骤3.U034按照三电平逆变方式运行。
本实用新型提供永磁同步电机电动及发电交替运行系统，当实现变直流电压逆变电路后，直流电压适配转子的旋转速度，转速越高，直流电压越高，转速越低，直流电压越低，从而使逆变后的定子绕组端电压的谐波分量减小，定子绕组电流波形平滑，永磁同步电机的动静态特性变好。
最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解可以在形式上和细节上对其做出各种改变，而不偏离本实用新型的保护范围。