CN101453184B - 一种开关磁阻电动机调速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，包括：一台N相开关磁阻电动机，该开关磁阻电动机的相绕组拆分成K组；K个功率单元，该K个功率单元为所述N相开关磁阻电动机被拆分成K组的相绕组提供经斩波的电流；一台三相移相变压器，该三相移相变压器为所述K个功率单元提供三相工频电源。由于采用了K个功率单元为相绕组拆分成K组的N相开关磁阻电动机供电，本发明调速装置功率增大了K倍，但电压等级不需要提高，在减少电磁干扰和噪声方面有了改善。另外，由于采用了三相移相变压器，网侧供电电流的波形变好。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的开关磁阻电动机调速装置，特别涉及开关磁阻电动机中定子线圈的接法和对电动机绕组的驱动方式。
背景技术
开关磁阻电动机调速系统由电动机、功率电路、角位移传感器和控制电路等四部份组成，由于性能优良，已在各个领域得到越来越广泛的应用。
开关磁阻电动机的结构型式很多，相数一般为N，每相定子绕组由Z个线圈接成(Z为偶数)，可以串联、并联或混联。线圈嵌在定子的磁极上，乘积NZ是线圈的总数也是定子的极数。电动机转子的极数比定子少，一般为Z(N-1)。
定子和转子磁极在自己的圆周上呈均匀的分布。属于同一相绕组的线圈所对应的定子磁极，方位角相差2π/Z。通电时，Z个磁极的极性呈N、S间隔排列，全部产生一个使定/转子邻近磁极重合的电磁转矩。
根据转子轴上角位移传感器得到的位置信号，依次对N相定子绕组通电，电动机的转子就连续转动起来。绕组间这种通电的切换，称为换向。导通时还通过不同的导通比来改变加到绕组上电压的大小，称为PWM控制或斩波控制。
开关磁阻电动机调速系统中的换向和斩波靠功率逆变电路来完成，功率逆变电路中有若干个桥臂，每个桥臂由一只功率开关和一只续流二极管串成。
功率逆变电路用的直流电源，一般是由电网供电的三相桥式整流电源，输出处用电容滤波。为了限制上电时过大的充电电流，通常电容前先串联限流电阻，上电完毕后，用接触器把此电阻短路。
有时开关磁阻电动机工作在再生发电状态，平均起来，电动机负载不但不耗电，反而使滤波电容上电压升高。当电容上电压高到一定值时，须 设置限压放电电路，通过功率开关的接通，把多余的电荷经过电阻放掉，或者另外设法回馈给电网。
图1(a)示为定/转子12/8极的3相开关磁阻电动机调速系统的功率电路，图中，13为三相桥式整流电源，11为功率逆变电路，14为上电限流电路，15为限压放电电路。其中功率逆变电路共有三个半桥电路，每个半桥由两个桥臂组成。
在图1(b)中画出了电动机线圈的连接图，电动机定子绕组12每相由四个线圈并联而成，四个线圈所在定子磁极的方位角间隔为π/2组成。
3相6/4极开关磁阻电动机是3相12/8极开关磁阻电动机的前身，它的相绕组比较简单，由两个线圈连成，线圈所在定子磁极方位相面对。由于低速性能较差，现在已较少采用。
无论3相还是N相，在现有开关磁阻电动机调速系统中，都是对相绕组进行整体驱动，系统的功率直接受到了功率开关二极管和整流电源额定能力的限制。
把图1中功率电路作为功率单元，引入了三相移相变压器后，让其绝缘的副边绕组，作为三相电源来供给K个功率单元。把这些功率单元的直流输出串联，就可以增大调速系统的功率K倍，并且网侧供电电流的谐波分量大为减小。但这时电动机绕组上电压也增高K倍，需要增加电动机绕组的绝缘等级。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关磁阻电动机调速装置，改变开关磁阻电动机中线圈的接法，在不增大电压等级的前提下，使用功率较小的功率单元，通过增加单元的个数来增大调速装置的功率，并改善电动机的运行性能。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征在于，包括一台N相开关磁阻电动机和K个功率单元，该开关磁阻电动机的相绕组被拆分为K组；分别由K个功率单元提供驱动电流。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，所述N相开关磁阻电动机的定子铁芯和转子铁芯的凸极分别均匀分布在两个同心的圆周上，定子的极数为NZ，转子的极数为(N-1)Z，其中Z为偶数。在所述定子凸极上嵌有线圈，均匀分布的Z个凸极属于1相。N相的NZ个线圈被拆分为互相隔离的N相K组线圈，每组相绕组由相等的P＝Z/K个线圈连成。P个线圈均匀地分布在圆周上，序号依次为j＝1、2…P；在线圈所属的组数h＝1、2…K，各组也均匀地分布在圆周上，在Z个凸极线圈通电时，凸极的磁性用符号(-1)j+h表示，如果(+1)表示N，则(-1)表示S；如果(+1)表示S，则(-1)表示N。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，所述K个功率单元，分别具有自己的功率逆变电路，三相桥式整流电源及滤波电容，每个功率单元用来驱动电动机中一组N相绕组；K个功率规格一致，可以互换。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，属于同一相凸极的相绕组，K组功率单元同时进行换向。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，属于同一相凸极的相绕组，相互均匀地错开数个斩波周期进行换向。
本发明的的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，K个功率单元同时进行斩波，但最好均匀地错开1/K斩波周期，错开时斩波周期和导通比不变。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，所述K个功率单元独立存在，在负载较轻或者有功率单元发生故障时，可以关断部分功率单元。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，K个功率单元由三相电网直接供给工频三相电源。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，还包括一台三相移相变压器。
本发明的开关磁阻电动机调速系统的特征还在于，K个功率单元由一台三相移相变压器的K组副边供给工频三相电源，K组副边间互相绝缘，每组副边所提供的线电压大小相等，相位均匀地错开π/(3K)电角度，每相副边有充当交流电抗器起滤波作用的漏感。
由于采用了K个功率单元，本发明调速装置功率增大了K倍，但电压等级不需要提高，在减少电磁干扰和噪声方面有了改善。如果三相移相变压器也有的话，则还可以使网侧供电电流的波形比较好。
附图说明
图1现有技术的开关磁阻电动机调速装置主电路。
(a)功率电路 (b)电动机线圈连接图
图2是本发明的开关磁阻电动机调速系统的一种实施方式的电路图。
图3是本发明的开关磁阻电动机调速系统的另一种实施方式的主电路图。
图4是本发明的开关磁阻电动机调速系统的另一种实施方式的主电路图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明开关磁阻电动机调速装置进行详细说明。
图2是本发明的开关磁阻电动机调速系统的一种实施方式的电路图。如图2所示，本发明的开关磁阻电动机调速装置的主电路。功率单元1的内部电路，如图1(a)示，由三相桥式整流电源13、功率逆变电路11等组成，三相开关磁阻电动机的相绕组2被拆分成两个线圈，配在变压器T的两组三相副边后，由功率单元1(U1和U2)来分别驱动。
另外，N相开关磁阻电动机的定子铁心和转子铁芯的凸极分别均匀分布在两个同心的圆周上，定子的极数为NZ，转子的极数为(N-1)Z，其中，Z为偶数，在所述定子凸极上嵌有线圈，均匀分布的Z个凸极属于1相，N相的NZ个线圈被拆分为互相隔离的N相K组线圈，每组相绕组由相等的P＝Z/K个线圈连成，P个线圈均匀分布在圆周上，序号依次为j＝1、2…P；在序号j相同时，线圈所属的组数h＝1、2…K，各组也均匀分布在圆周上，在Z个凸极线圈通电时，凸极的磁性用符号(-1)j+h表示，则如果(+1)表示N，(-1)则表示S；如果(+1)表示S，(-1)则表示N。
为了减小网侧供电电流的谐波分量，两个功率单元的三相工频电源由三相移相变压器的两组副边提供，副边的接法为三角形和星形，相位已错开π/6。两组副边的线电压的大小是相等的，并且都有较大的漏感。
两个功率单1(U1、U2)元间，属于同一相的两个线圈可同时换相，或者错开数个斩波同期进行换相，错开以后，可以减小换向时产生的电磁干扰。另一方面属于同一相的两个线圈可同时进行斩波或者错开1/2斩波周期，斩波周期和导通比保持一样，把斩波错开，有助于减小电动机运行时的噪声和干扰。这一切动作都受功率单元1的控制，由于功率单元1采用的是现有的结构，所以在此省略了其内部结构。
考虑到节省电能，电动机轻载时可关断功率单元1中的一个，如果某个功率单元存在故障，也可以关断该功率单元，让电动机降额运行，以便减少非正常停机带来的损失。
除了三相6/4极开关磁阻电动机外，图2所示的主电路也适合于三相12/8极开关磁阻电动机，所采用的三相功率单元数目不变，只是图中各个线圈改为由两个线圈连成(串联或并联)的相绕组。两个线圈所嵌的凸极径向相对，通电时凸极的磁性相反。
三相12/8极开关磁阻电动机属于同一相的定子铁芯凸极数Z＝4，如果把4个凸极上的线圈完全拆开，并用四个功率单元来分别驱动，就可以获得图3示主电路。相应于电动机绕组2′有4组3相线圈，功率单元1′有4个(U1、U2、U3、U4)。
在图3的主电路中，T是台三相移相变压器，其4组副边(4、5、6、7)为功率单元U1、U2、U3、U4提供三相工频电源，它们的接法都是带延长边的三角形，要求输出的线电压大小相等，相位均匀地错开π/12电角度，并且各副边都有较大的漏感，这样多重化地供电后，网侧供电电流的波形变好。
4个功率单元间，属于同一相的4个线圈可同时换相，或者均匀地错开数个斩波周期，均匀地错开以后，相电流比同时换向时减少4倍，可以减少电磁干扰。另一方面，功率单元中功率开关，在斩波周期和导通比不变的前提下，可以同时进行，也可以均匀地错开1/4斩波周期，错开的话有助于减少电动机运行时的噪声和干扰。
现有的4相开关磁阻电动机调速装置，通常功率逆变电路由两个半桥构成，电动机四个相绕组连成星形，4相绕组的线尾连在一起后浮置，A、C两相和B、D两相的线头连到两个半桥的正和负输出上，工作时，A、C两相和B、D两相各自轮流导通π电角度，接在正、负输出上的两相同时导通，有π/2电角度重叠。把具有上述逆变电路的功率电路作为功率单元1”，当采用两个功率单元时，得到图4所示的4相8/6极开关磁阻电动机调速装置的主电路，图中电动机的相绕组2”中的两个线圈已拆开，分别配成隔离的两组4相星形，其4个输入端接到两个功率单元1”的输出上。图中未设置三相移相变压器，两个功率单元1”直接由三相电网供电。
功率单元的功率通常受到功率单元中功率开关、二极管额定能力的限制，由于本发明的开关磁阻电动机调速系统用了2或4个功率单元，所以系统的功率可增大2或4倍，不会发生特别的困难。
Claims (9)
1.一种开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，包括一台N相开关磁阻电动机和K个功率单元，该开关磁阻电动机的相绕组被拆分为K组；分别由K个功率单元提供驱动电流；
所述N相开关磁阻电动机的定子铁芯和转子铁芯的凸极分别均匀分布在两个同心的圆周上，定子的极数为NZ，转子的极数为(N-1)Z，其中Z为偶数；在所述定子凸极上嵌有线圈，均匀分布的Z个凸极属于1相；N相的NZ个线圈被拆分为互相隔离的N相K组线圈，每组相绕组由相等的P＝Z/K个线圈连成；P个线圈均匀地分布在圆周上，序号依次为j＝1、2…P；在线圈所属的组数h＝1、2…K，各组也均匀地分布在圆周上，在Z个凸极线圈通电时，凸极的磁性用符号(-1)j+h表示，如果(+1)表示N，则(-1)表示S；如果(+1)表示S，则(-1)表示N；
所述K个功率单元，分别具有自己的功率逆变电路，三相桥式整流电源及滤波电容，每个功率单元用来驱动电动机中一组N相绕组；K个功率规格一致，可以互换。
2.如权利要求1所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，属于同一相凸极的相绕组，K组功率单元同时进行换向。
3.如权利要求1所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，属于同一相凸极的相绕组，K组功率单元相互均匀地错开数个斩波周期进行换向。
4.如权利要求1所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，K个功率单元均匀地错开1/K斩波周期，错开时斩波周期和导通比不变。
5.如权利要求1所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，K个功率单元同时进行斩波，斩波周期和导通比不变。
6.如权利要求1所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，所述K个功率单元独立存在，在负载较轻或者有功率单元发生故障时，可以关断部分功率单元。
7.如权利要求1所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，K个 功率单元由三相电网直接供给工频三相电源。
8.如权利要求1所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，还包括一台三相移相变压器。
9.如权利要求8所述的开关磁阻电动机调速系统，其特征在于，K个功率单元由所述三相移相变压器的K组副边供给工频三相电源，K组副边间互相绝缘，每组副边所提供的线电压大小相等，相位均匀地错开π/(3K)电角度，每相副边有充当交流电抗器起滤波作用的漏感。
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