CN101459408B - 多相单套绕组无轴承电机传动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的多相单套绕组无轴承电机传动系统，包括：多相交流电机、多相逆变器、逆变驱动单元、检测单元、转矩转速控制单元、悬浮控制单元和综合单元。多相交流电机具有一套相数n≥5的绕组，电机定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n角度的绕组构成，每相绕组同时含有奇次和偶次空间谐波，多相交流电机的转矩和悬浮控制分别在不同的控制自由度中完成，通过一台多相逆变器给电机同时通入相邻相相位差不同的两组电流，以分别实现电机的转矩驱动和转子悬浮。本发明采用一套多相电机绕组，一套多相变频器，实现传动系统的无轴承运行，绕组结构简单，比传统的双绕组无轴承电机更容易嵌线，并且易于实现大功率传动，具有更高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无轴承电机传动系统，尤其适合于高速大功率无轴承交流传动系统。
背景技术
轴承是实现传动系统高速和超高速运行的瓶颈。为突破这个瓶颈，人们在上个世纪80年代提出了无轴承电机的概念。其原理是在定子铁心中嵌入两套3相绕组，一套用于产生电磁转矩，称为转矩绕组；另一套用于生成径向悬浮力，称为悬浮绕组。若转矩绕组的极对数为p，则悬浮绕组的极对数为p+1或p-1。两套绕组产生的极对数相差1的两旋转磁场，它们相互作用在转子上产生悬浮力。
目前的无轴承电机(感应电机、永磁同步电机、磁阻电机等)均采用两套极对数不同的三相绕组。在大功率传动系统中，受电力电子器件单管容量水平的限制，只能采用功率器件串联或并联的变频器来满足大功率的要求，存在均压、均流困难等问题。采用这类变频器(如多电平变频器)的三相传动系统存在价格昂贵，可靠性低等缺点，只要有一相出现故障，系统就无法正常工作。而若要实现无轴承运行，就必须采用两套这样的变频器分别给三相转矩绕组和三相悬浮绕组供电，系统价格更加昂贵，可靠性进一步降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种多相单套绕组无轴承电机传动系统，以降低无轴承传动系统的成本，提高运行可靠性。
本发明的多相单套绕组无轴承电机传动系统，包括
多相交流电机，具有一套相数n≥5的绕组，电机定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n角度的绕组构成，每相绕组同时含有奇次和偶次空间谐波；
多相逆变器，用于给多相交流电机供电，多相逆变器的相数与多相交流电机的相数n相等，单端供电时，逆变器具有n个桥臂，电机各相绕组的一端为星形连接，各相绕组的另一端分别与逆变器各相桥臂的输出端连接；双端供电时，逆变器具有2n个桥臂，电机各相绕组的输入端依次连接到n个桥臂的输出端，各相绕组的输出端分别连接到相应另n个桥臂的输出端；
逆变驱动单元，用于驱动多相逆变器，逆变驱动单元的输出端与多相逆变器的控制输入端相连；
检测单元，其信号输入端分别与设置在多相交流电机中的电压、电流、转 速和位移传感器的信号输出端连接。用于输出多相交流电机的电压、电流、转速和转子位移信号；
转矩转速控制单元，其输入端与检测单元的转速信号的输出端相连，将输入的转速信号与设定的转速值比较，输出控制多相交流电机转矩和转速的电流参考信号；
悬浮控制单元，其输入端与检测单元的转子位移信号的输出端相连，将输入的转子位移信号与设定的位移值比较，输出控制多相交流电机转子悬浮的电流参考信号；
综合单元，以转矩转速控制单元的输出和悬浮控制单元的输出作为控制输入，完成电流调节、坐标变换、坐标反变换和PWM控制，其输入端分别与转矩转速控制单元的输出端、悬浮控制单元的输出端以及检测单元的电压、电流和转速信号输出端相连，综合单元的输出端与逆变驱动单元的输入端连接。
本发明的无轴承电机传动系统采用一台单套多相绕组交流电机和一台多相逆变器，在避免电力电子功率器件的直接串、并联的前提下更易于实现大功率传动。此外，与传统的双绕组无轴承电机相比，本发明只需一套多相定子绕组，不仅结构简单，更易于嵌线，降低成本，还具有更高的可靠性，当一相或几相发生故障时可实现容错运行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是多相电机的绕组结构实例(以5相为例)；
图3是单端供电多相无轴承电机与多相逆变器的连接方式；
图4是双端供电多相无轴承电机与多相逆变器的连接方式；
图5是多相对称系统的坐标变换矩阵；
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明：
参照图1，本发明的多相单套绕组无轴承电机传动系统，包括：
多相交流电机1，具有一套相数n≥5的绕组，电机定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n角度的绕组构成，每相绕组同时含有奇次和偶次空间谐波；
多相逆变器2，用于给多相交流电机1供电，多相逆变器2的相数与多相交流电机1的相数n相等，单端供电时，电机各相绕组的一端为星形连接，各相绕组的输入端与逆变器各相桥臂的输出端连接；双端供电时，电机各相绕组两端分别与逆变器各相桥臂的输出端连接；
逆变驱动单元3，用于驱动多相逆变器2，逆变驱动单元3的输出端与多相逆变器2的输入端相连；
检测单元4，其信号输入端分别与设置在多相交流电机1中的电压、电流、转速和位移传感器的信号输出端连接。用于输出多相交流电机的电压、电流、转速和转子位移信号；
转矩转速控制单元5，其输入端与检测单元4的转速信号的输出端相连，将输入的转速信号与设定的转速值比较，输出控制多相交流电机1转矩和转速的电流参考信号；
悬浮控制单元6，其输入端与检测单元4的转子位移信号的输出端相连，将输入的转子位移信号与设定的位移值比较，输出控制多相交流电机1转子悬浮的电流参考信号；
综合单元7，用于将旋转坐标系下的参考电压或电流信号转换为相坐标系下的电压或电流信号，其输入端分别与转矩转速控制单元5的输出端、悬浮控制单元6的输出端以及检测单元4的电压、电流和转速信号输出端相连，综合单元7的输出端与逆变驱动单元的输入端连接。
图2所示为用于多相单套绕组无轴承电机传动系统中多相交流电机的定子绕组结构实例，以5相为例，电机定子绕组由5个轴线依次相隔2π/5角度的绕组构成，每相绕组同时含有奇次和偶次空间谐波以满足无轴承电机中两磁场极对数相差为1的悬浮条件，A-a构成a相绕组，A表示绕组方向进入纸面，a表示流出纸面，B-b等依此类推。同理不难得到其它相数时的绕组结构。定子绕组可采用分布式绕组也可采用集中绕组，电机转子可采用鼠笼型、永磁型或磁阻型转子等。
图3所示实例中，n相交流电机各相绕组的一端为星形连接，可连接为1个或几个中点，各相绕组的另一端与逆变器各相桥臂的输出端连接。n相逆变器由n个桥臂构成，每个桥臂由两个开关串联构成，每个开关由一个全控型功率器件和一个二极管反向并联构成。
图4所示实例中，n相交流电机各相绕组两端分别连接到逆变器各相桥臂的输出端，n相逆变器由2n个桥臂构成，每个桥臂由两个开关串联构成，每个开关由一个全控型功率器件和一个二极管反向并联构成。
这里全控型功率器件可采用IGBT、MCT、GTO或GTR等。
上述的转矩转速控制单元5，悬浮控制单元6和综合单元7可采用一块DSPTI2812芯片来实现。
本发明的工作原理如下：
根据无轴承电机原理，电机的转矩和悬浮力通过极对数相差为1的两旋转磁场来实现。本发明利用多相电机的一个控制自由度控制电机的旋转，再利用另一个控制自由度控制电机的悬浮。两控制自由度相互正交，即旋转坐标系下转矩电流和悬浮电流解耦，即旋转坐标系下转矩和悬浮可分别调制。
n相对称系统在固定坐标系下的变换(αβ变换)矩阵如图5所示，式中α＝2π/n；当相数n为偶数时，m＝(n-2)/2；当n为奇数时，m＝(n-1)/2，这时变换矩阵P中应删去最后一行。可见，变换后生成m组αβ分量。可分别对每一组αβ分量进行旋转，变换到任意速坐标系。由图5可见，在多相的情况下，变换后将形成m组相互正交的αβ分量(m＞1，称为m个控制自由度)，而三相时则只有1组(或一个控制自由度)。
考察坐标变换式(图5)可以发现，对于一台n相1对极电机，如果各相依次按照式中第二或第三行(α1β1，构成第一个控制自由度)的相序供电，也就是说，各相电流的相位分别为0、α、2α...(n-1)α，(例如在5相的情况下则为0，2π/5，4π/5，6π/5，8π/5)，电机内将形成1对极旋转磁场；而若各相依次按照式中第四或第五行(α2β2，构成第二个控制自由度)的相序供电，也就是说，各相电流的相位分别为0、2α、4α...2(n-1)α，(如在5相的情况下则为0，4π/5，8π/5，12π/5，16π/5)，则电机内将形成2对极旋转磁场；等等。总之，对于一台n相p对极电机，通过改变供电电流的相位，可以使电机运行在p、2p、...、mp对极的模式下。
实现电机的转矩控制只需一组αβ分量，或一个控制自由度就可完成，这样多相电机(相数n≥5)所具有的其它的控制自由度就可以用于完成转子的悬浮控制，实现无轴承运行：
直流环节的直流电经多相逆变器2逆变后供给多相交流电机1。检测单元4检测多相交流电机的电压、电流、转速和转子位移信号；并将检测到的多相交流电机的电压、电流、转速和转子位移信号分别输出到转矩转速控制单元5、悬浮控制单元6和综合单元7；
转矩转速控制单元5将输入的转速信号与设定的转速值比较，输出控制多相交流电机转矩和转速的电流参考信号iαT *、iβT *，iαT *、iβT *作为第一个控制自由度的控制指令；
悬浮控制单元6将输入的转子位移信号与设定的位移值比较，输出控制多相交流电机转子悬浮的电流参考信号iαF *、iβF *，iαF *、iβF *作为另第一个控制自由度 的控制指令；
综合单元7以转矩转速控制单元6的输出iαT *、iβT *和悬浮控制单元7的输出iαF *、iβF *作为控制输入，完成电流调节、坐标变换、坐标反变换、PWM控制等功能；并输出PWM信号作为逆变驱动单元3的输入，由逆变器驱动单元3控制多相逆变器2各相桥臂的全控型功率器件开通和关断。在这样的电流调节下，定子各相电流中同时含有实现旋转控制的电流分量和实现悬浮控制的电流分量；两组电流分量在电机气隙中形成极对数相差为1的磁场，同时形成转矩和径向力，从而实现电机的转矩驱动和转子悬浮。
Claims (5)
1.多相单套绕组无轴承电机传动系统，其特征是：包括
多相交流电机(1)，具有一套相数n≥5的绕组，电机定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n角度的绕组构成，每相绕组同时含有奇次和偶次空间谐波；
多相逆变器(2)，用于给多相交流电机(1)供电，多相逆变器(2)的相数与多相交流电机(1)的相数n相等，单端供电时，逆变器具有n个桥臂，电机各相绕组的一端为星形连接，各相绕组的另一端分别与逆变器各相桥臂的输出端连接；双端供电时，逆变器具有2n个桥臂，电机各相绕组的输入端依次连接到n个桥臂的输出端，各相绕组的输出端分别连接到相应另n个桥臂的输出端；
逆变驱动单元(3)，用于驱动多相逆变器(2)，逆变驱动单元(3)的输出端与多相逆变器(2)的控制输入端相连；
检测单元(4)，其信号输入端分别与设置在多相交流电机(1)中的电压、电流、转速和位移传感器的信号输出端连接，用于输出多相交流电机的电压、电流、转速和转子位移信号；
转矩转速控制单元(5)，其输入端与检测单元(4)的转速信号的输出端相连，将输入的转速信号与设定的转速值比较，输出控制多相交流电机(1)转矩和转速的电流参考信号；
悬浮控制单元(6)，其输入端与检测单元(4)的转子位移信号的输出端相连，将输入的转子位移信号与设定的位移值比较，输出控制多相交流电机(1)转子悬浮的电流参考信号；
综合单元(7)，以转矩转速控制单元(5)的输出和悬浮控制单元(6)的输出作为控制输入，完成电流调节、坐标变换、坐标反变换和PWM控制，其输入端分别与转矩转速控制单元(5)的输出端、悬浮控制单元(6)的输出端以及检测单元(4)的电压、电流和转速信号输出端相连，综合单元(7)的输出端与逆变驱动单元的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的多相单套绕组无轴承电机传动系统，其特征是，多相交流电机(1)的转子为鼠笼型、永磁型或磁阻型转子。
3.根据权利要求1所述的多相单套绕组无轴承电机传动系统，其特征是，单端供电时，电机绕组星形连接为1个或几个中点。
4.根据权利要求1所述的多相单套绕组无轴承电机传动系统，其特征是n相逆变器由n个或2n个桥臂构成，每个桥臂由两个开关串联构成，每个开关由一个全控型功率器件和一个二极管反向并联构成。
5.根据权利要求1的多相单套绕组无轴承电机传动系统，其特征是转矩转速控制单元(5)，悬浮控制单元(6)和综合单元(7)在一块DSP TI2812芯片中实现。
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