CN101714848A - 多相感应电机电子变极传动装置 - Google Patents

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杨家强
黄进
康敏
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Abstract

本发明公开的多相感应电机电子变极传动装置，包括多相感应电机、多相逆变器、逆变驱动单元、检测单元和变极控制单元。多相感应电机的相数n≥5，定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n电角度的绕组构成，每相绕组同时含有至少2种空间谐波分量，电机转子采用鼠笼结构。变极控制单元根据输入的转速信号，确定电机采用何种极数以及相应的控制自由度，通过一台多相逆变器给多相感应电机分别通入不同的相位差的电流，可以在气隙中产生不同极对数的旋转磁场，即可在不同的控制自由度之间进行切换以实现变极。本发明采用多相感应电机和一套多相逆变器，实现传动系统的宽范围变极调速，绕组结构简单，并且易于实现大功率传动，具有高可靠性。

Description

多相感应电机电子变极传动装置
技术领域
本发明涉及多相感应电机电子变极传动装置，尤其适合于大功率宽范围的调速系统。
背景技术
许多应用场合，如机床用伺服系统、航空器驱动、飞轮储能系统等，迫切要求传动系统既能在低速时提供大的转矩，又具有宽广的恒功率调速运行范围，而由传统感应电机构成的交流传动系统在额定频率以下电机工作在恒转矩模式，在额定频率以上电机工作在恒功率模式。在恒功率模式下电机端电压随频率的增大而缓慢地升高，在变频器供电的情况下当电压达到变频器所能够提供的最大电压时，传动系统就无法继续工作在恒功率模式了。因此由传统感应电机构成的传动系统的恒功率运行区间，或者说调速范围是有限的，一般不超过额定转速的两倍。常用的解决方法是将传动系统和负载通过机械变速箱连接，通过改变变速箱的速比来满足要求，但是该方法设备复杂，体积增大以及控制精度降低；也可以简单的采用更大功率电机和大容量变频器，但是这样电机体积和功率器件的容量都要增大，在经济和能源上造成很大的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种多相感应电机电子变极传动装置，通过多相感应电机的电子变极实现宽范围恒功率调速，并提高运行可靠性。
本发明的多相感应电机电子变极传动装置，包括多相感应电机、多相逆变器、逆变驱动单元、检测单元和变极控制单元，多相感应电机的相数n≥5，定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n电角度的绕组构成，每相绕组同时含有至少2种空间谐波分量，各相绕组的一端为星形连接，多相逆变器的相数与多相感应电机的相数n相等，多相逆变器各相桥臂的输出端与各相绕组的输入端连接，多相逆变器的输入端与逆变驱动单元的输出端相连，检测单元的信号输入端接多相感应电机的电压、电流和转速信号输出端，检测单元的信号输出端与变极控制单元一个输入端相连，变极控制单元的另一个输入端接转速设定值，变极控制单元将输入的转速信号与设定的转速值比较，确定电机采用何种极数以及相应的控制自由度，输出控制多相感应电机转矩和转速的电流或电压参考信号给逆变驱动单元。
本发明中，多相感应电机转子采用鼠笼型转子。多相感应电机绕组星形连接可以为1个中点或几个中点。
所说的变极控制单元为DSP或FPGA芯片。当相数n≤6时，逆变驱动单元为DSP或FPGA或CPLD芯片，相数n＞6时，逆变驱动单元为FPGA或CPLD芯片。
本发明的多相感应电机电子变极传动装置采用一台鼠笼型多相感应电机和一台多相逆变器，利用多相电机具有多个控制自由度的特点，在不停电的情况下通过控制产生不同的谐波电流和谐波旋转磁场，实现电子变极调速，具有宽运行范围的特点。本发明结构简单；具有高可靠性，当一相或几相发生故障时可实现容错运行；易于实现大功率传动。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是多相感应电机电子变极传动装置中多相电机的绕组结构实例(以6相为例)，
图中：(a)为4/8变极，(b)为2/4变极；
图3是多相感应电机与多相逆变器的连接方式；
图4是多相对称系统的坐标变换矩阵；
图5是6相电机的极对数切换示意图，图中：(a)为1对极旋转磁场示意图，(b)为2对极旋转磁场示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明：
参照图1，本发明的多相感应电机电子变极传动装置，包括多相感应电机1、多相逆变器2、逆变驱动单元3、检测单元4和变极控制单元5，多相感应电机1的相数n≥5，定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n电角度的绕组构成，每相绕组同时含有至少2种空间谐波分量，各相绕组的一端为星形连接，多相逆变器2的相数与多相感应电机1的相数n相等，多相逆变器各相桥臂的输出端与各相绕组的输入端连接，多相逆变器的输入端与逆变驱动单元3的输出端相连，检测单元4的信号输入端接多相感应电机1的电压、电流和转速信号输出端，检测单元4的信号输出端与变极控制单元5一个输入端相连，变极控制单元5的另一个输入端接转速设定值，变极控制单元5将输入的转速信号与设定的转速值比较，确定电机采用何种极数以及相应的控制自由度，输出控制多相感应电机1转矩和转速的电流或电压参考信号给逆变驱动单元3。
图2所示为用于多相感应电机电子变极传动装置中多相感应电机的定子绕组结构实例，以24槽6相为例，电机定子绕组由6个轴线依次相隔π/3电角度的绕组构成，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。根据不同的绕组结构可以含有不同的空间谐波，比如图2(a)中绕组含有2、4次空间谐波时，电机能实现4/8电子变极；如图2(b)中绕组含有1、2次空间谐波，电机能实现2/4电子变极。类似地，采用不同的绕组结构，电机还能实现2/6电子变极等。此外，定子绕组还能采用环形绕组结构。电机转子采用鼠笼型转子。
图3所示实例中，n相感应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，图例为n相绕组连接成1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器件串联构成，每个开关器件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。
本发明的工作原理如下：
根据多相坐标变换理论，多相电机具有多个控制自由度，它们分别对应于不同相位差的一组电流及不同极对数的旋转磁场。本发明利用多相电机的一个控制自由度控制电机旋转，在不同的控制自由度之间切换以实现电机磁场极对数的切换，从而实现多相感应电机的宽范围电子变极调速。
n相对称系统在固定坐标系下的变换(αβ变换)矩阵如图4所示，式中α＝2π/n；当n为偶数时，电机控制自由度的个数m＝(n-2)/2；当n为奇数时，m＝(n-1)/2，这时变换矩阵应删去最后一行。那么矩阵的第1、2行构成q1-d1平面，第3、4行构成q2-d2平面，依次类推。
根据三角函数的正交性，多相电机相邻相不同相位差的一组电流坐标变换后分别映射到不同的正交平面，如相邻相相位差为2π/n的一组电流坐标变换后只映射到q1-d1平面，它们变换到其他正交平面的值为0。根据上述坐标变换矩阵可知，相电流按矩阵的第1、2行可构成q1-d1平面，按第3、4行可构成q2-d2平面，其他情况依次类推。可见，在多相的情况下多相电机的相电流变换后将形成m组αβ分量，称为m个控制自由度或者m个平面，而三相时则只有1一个控制自由度或者1个控制平面。实现电机的矢量控制只需一组αβ分量，或一个控制自由度就可完成，这样多相电机(n≥5)所剩余的控制自由度就可以用于其它控制目的。例如，对于一台n相1对极电机在q1-d1平面，其相电流的相位依次为0、α、2α...(n-1)α，如在六相的的情况下其相电流相位依次为0，π/3，2π/3，π，4π/3，5π/3，那么电机内就形成1对极旋转磁场，如图5(a)所示；而在q2-d2平面，各相电流的相位分别为0，2π/3，4π/3，2π，2π/3，6π/3，那么电机内将形成2对极旋转磁场，如图5(b)所示。
因此，对于一台n相P对极的多相电机，采用n相变频器，通过改变各相供电电流的相位，可以使电机运行在1P、2P、...、mP对极的模式下，通过控制变频器在不停电的情况下实现电子变极。可见电子变极的原理就是利用多相电机具有多控制自由度的特点，通过控制相电流的相位生成不同极对数的旋转磁场，达到三相电机不能实现的在不停电情况下变极过程：
检测单元4检测到的多相交流电机的电压、电流、转速信号输出到变极控制单元5；变极控制单元5将输入的转速信号与设定的转速值比较，得到控制多相感应电机转矩和转速的电流参考信号iα *、iβ *，iα *、iβ *作为相应控制自由度的控制指令。在正常工作的过程中，其它q-d平面内的电流参考信号为0；在变极的过程中，各平面内的参考电流信号可根据某一规律由大变小或由小变大，以实现平稳切换。各个平面内的电流参考信号经过电流闭环调节后得到各平面内的电压参考信号，反坐标变换后输出各相电压参考信号。
变极控制单元5根据转速的设定值确定电机运行的极对数及相应的控制自由度。
逆变驱动单元3将各相电压参考信号转换成PWM信号，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。不同平面内的电压或电流反坐标变换得到的电压或电流相位差不等，从而可在不同平面间进行切换以实现电机电子变极。

Claims (5)

1.多相感应电机电子变极传动装置，其特征是包括多相感应电机(1)、多相逆变器(2)、
逆变驱动单元(3)、检测单元(4)和变极控制单元(5)，多相感应电机(1)的相数n≥5，定子绕组由n个轴线依次相隔2π/n电角度的绕组构成，每相绕组同时含有至少2种空间谐波分量，各相绕组的一端为星形连接，多相逆变器(2)的相数与多相感应电机(1)的相数n相等，多相逆变器各相桥臂的输出端与各相绕组的输入端连接，多相逆变器的输入端与逆变驱动单元(3)的输出端相连，检测单元(4)的信号输入端接多相感应电机(1)的电压、电流和转速信号输出端，检测单元(4)的信号输出端与变极控制单元(5)一个输入端相连，变极控制单元(5)的另一个输入端接转速设定值，变极控制单元(5)将输入的转速信号与设定的转速值比较，确定电机采用何种极数以及相应的控制自由度，输出控制多相感应电机(1)转矩和转速的电流或电压参考信号给逆变驱动单元(3)。
2.根据权利要求1所述的多相感应电机电子变极传动装置，其特征是，电机转子采用鼠笼型转子。
3.根据权利要求1所述的多相感应电机电子变极传动装置，其特征是，多相感应电机绕组星形连接为1个中点或几个中点。
4.根据权利要求1的多相感应电机电子变极传动装置，其特征是，变极控制单元(5)为DSP或FPGA芯片。
5.根据权利要求1的多相感应电机电子变极传动装置，其特征是，相数n≤6时，逆变驱动单元(3)为DSP或FPGA或CPLD芯片，相数n＞6时，逆变驱动单元(3)为FPGA或CPLD芯片。
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