CN102969860A - 一种多相无刷双馈电机以及变频控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相无刷双馈电机以及变频控制系统；变频控制系统包括多相无刷双馈电机以及多相驱动电路；多相无刷双馈电机的定子中有一套功率绕组以及N套控制绕组；N套控制绕组中每一套控制绕组之间以60/N电角度的相位进行排列；多相驱动电路包括：分别与N套控制绕组连接的N个功率变换器，分别与N个功率变换器连接的N个滤波器以及移相变压器；所述移相变压器包括N个副方绕组和原方绕组；N个副方绕组分别与N个滤波器连接，原方绕组与三相电网连接。本发明将无刷双馈电机的控制绕组由一套拆分成多套，相带宽度由常规的60度相带变成30度或更小，因此控制绕组的基波的绕组系数提高，谐波磁势减小，从而电机的效率得以提高。

Description

一种多相无刷双馈电机以及变频控制系统

技术领域

本发明属于交流电机及其控制技术领域，更具体地，涉及一种多相无刷双馈电机以及变频控制系统。

背景技术

无刷双馈电机最早起源于19世纪末，由串极感应电机发展而来。串极感应电机是将两台独立的绕线转子异步电机的转轴机械上同轴串接、两个转子绕组作反相序联接，一台电机的定子绕组接三相电网，另一台电机的定子接三相可调电阻。通过调节外加电阻的大小来改变电机的转差功率，从而可调节电机的转速。这种串极感应电机的优点是取消了滑环和电刷，因而提高了电机的可靠性，降低了维护费用。但这种串极感应电机体积大，效率低，成本高，不易安装。因而在20世纪初，Hunt对其进行了改进。所提出的电机具有一套转子绕组和两套具有不同极对数的定子绕组，并且共用一个磁路。到20世纪70年代，A.W.Broadway等对Hunt电机进行了较大改进，设计出具有笼型结构的转子，不仅提高了其坚固性与可靠性，而且满足了无刷双馈电机对于转子磁场级数转换的要求。

由于无刷双馈电机具有结构简单、运行可靠、变频器装置容量小等优点，因此进入上世纪八十年代后，这种电机逐渐成为研究的热点。目前，无刷双馈电机的转子主要有三种结构：(1)特殊笼型转子；(2)绕线式转子；(3)磁阻式转子。其中，绕线转子结构的无刷双馈电机逐渐开始成熟。

无刷双馈电机可以应用于调速领域。例如在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载，占整个用电设备能耗的40％左右。电费在自来水厂甚至占制水成本的50％。这是因为：一方面，设备在设计时，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工况的变化，需要泵机输出不同的流量。随着市场经济的发展和自动化，智能化程度的提高，通过电机调速对泵类负载进行速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。对泵类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看，大多已取得了较好的效果(有的节能高达30％-40％)，大幅度降低了自来水厂的制水成本，提高了自动化程度，且有利于泵机和管网的降压运行，减少了渗漏、爆管，可延长设备使用寿命。

另外在电力、冶金、石化、水泥等行业广泛应用的风机负载也可使用无刷双馈电机进行调速。如电力行业中的要用到引风机、送风机、一次风机、吸尘风机、增压风机；冶金行业要用到除尘风机、通风机等；水泥行业要用到窑炉引风机、压力送风机、冷却器吸尘机、供气风机、冷却器排风机、分选器风机、主吸尘风机等。在这些行业应用中的风机如果可以把速度降低，则消耗的功率将大幅度下降，达到节能减排的效果。

除了调速领域，无刷双馈电机也可以应用于风力发电。目前风力发电机系统中主流的发电机为绕线转子异步发电机。如果改成无刷双馈风力发电机，则不仅保留了原方案中驱动装置容量小、成本低等优点，同时由于实现了无刷化，因而系统的可靠性更高、维护费用更小。

无刷双馈电机的功率绕组直接由电网供电，控制绕组由功率变换器供电。在速度变化范围不大的情况下，所需功率变换器容量较小，解决了高压调速系统成本高、可靠性差的问题，更适用于易燃、易爆、粉尘多等恶劣场所。同时在风力发电等场合，可对有功功率和无功功率进行控制，取消无功补偿环节，对电网谐波污染小。这些优点决定了无刷双馈电机必将在工业应用中占有越来越重要的地位。

目前的研究成果和专利均为低压(380V)小容量的无刷双馈电机和三相驱动器。高压大容量的无刷双馈电机及其合适的驱动器尚未见到报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以适用于高压大容量应用领域的多相无刷双馈电机。

为实现上述目的，本发明提供了一种多相无刷双馈电机，包括定子，一套功率绕组以及N套控制绕组；所述功率绕组用于与三相电网连接；所述N套控制绕组中每一套控制绕组之间以60/N电角度的相位进行排列；且每套控制绕组的相带宽度也为60/N度电角度；控制绕组与多相驱动电路连接；N为大于等于2的正整数。

本发明还提供一种变频控制系统，包括：多相无刷双馈电机以及与所述多相无刷双馈电机连接的多相驱动电路；所述多相无刷双馈电机包括：定子，定子中的功率绕组以及N套控制绕组；N套控制绕组中每套之间以60/N度电角度的相位进行排列，且每套控制绕组的相带宽度也为60/N度电角度；N为大于等于2的正整数。

更进一步地，所述多相驱动电路包括：分别与N套控制绕组连接的N个功率变换器，分别与N个功率变换器连接的N个滤波器以及移相变压器；所述移相变压器包括N个副方绕组和原方绕组；所述N个副方绕组分别与所述N个滤波器连接，所述原方绕组与三相电网连接。

更进一步地，所述变频控制系统还包括：与所述N个功率变换器连接的控制器，所述控制器输出的控制时序为N个功率变换器的输出电流分别相移N/60度，与N套控制绕组在电机定子中60/N度的位移电角度对应。

更进一步地，N为2时，所述多相无刷双馈电机包括第一控制绕组和第二控制绕组，第一控制绕组与第二控制绕组之间相位差为30度；所述多相驱动电路包括：与第一控制绕组连接的第一功率变换器、与第二控制绕组连接的第二功率变换器、与第一功率变换器连接的第一滤波器、与第二功率变换器连接的第二滤波器以及移相变压器；所述移相变压器的第一副方绕组与所述第一滤波器连接，所述移相变压器的第二副方绕组与所述第二滤波器连接，所述移相变压器的原方绕组与三相电网连接；所述移相变压器的第一副方绕组与第二副方绕组之间相位差为30度。

更进一步地，N为3时，所述多相无刷双馈电机包括第一控制绕组、第二控制绕组和第三控制绕组，第一控制绕组、第二控制绕组和第三控制绕组相互之间相位差为20度；所述多相驱动电路包括：与第一控制绕组连接的第一功率变换器、与第二控制绕组连接的第二功率变换器、与第三控制绕组连接的第三功率变换器、与第一功率变换器连接的第一滤波器、与第二功率变换器连接的第二滤波器、与第三功率变换器连接的第三滤波器以及移相变压器；所述移相变压器的第一副方绕组与所述第一滤波器连接，移相变压器的第二副方绕组与所述第二滤波器连接，所述移相变压器的第三副方绕组与所述第三滤波器连接，移相变压器的原方绕组与三相电网连接；移相变压器的第一副方绕组、第二副方绕组与第三副方绕组相互之间相位差为20度。

更进一步地，N为4时，所述多相无刷双馈电机包括第一控制绕组、第二控制绕组、第三控制绕组和第四控制绕组，第一控制绕组、第二控制绕组、第三控制绕组和第四控制绕组相互之间相位差为15度；所述多相驱动电路包括：与第一控制绕组连接的第一功率变换器、与第二控制绕组连接的第二功率变换器、与第三控制绕组连接的第三功率变换器、与第四控制绕组连接的第四功率变换器、与第一功率变换器连接的第一滤波器、与第二功率变换器连接的第二滤波器、与第三功率变换器连接的第三滤波器、与第四功率变换器连接的第四滤波器以及移相变压器；所述移相变压器的第一副方绕组与所述第一滤波器连接，移相变压器的第二副方绕组与所述第二滤波器连接，所述移相变压器的第三副方绕组与所述第三滤波器连接，所述移相变压器的第四副方绕组与所述第四滤波器连接，移相变压器的原方绕组与三相电网连接；移相变压器的第一副方绕组、第二副方绕组、第三副方绕组与第四副方绕组相互之间相位差为15度。

更进一步地，所有功率变换器之间可以独立使用、串联使用或并联使用。

本发明的技术效果体现为：

(1)将无刷双馈电机的控制绕组由常规的一套拆分成多套后，由于每套绕组的相带宽度由常规的60度相带变成30度或更小，因此控制绕组的基波的绕组系数提高，谐波磁势减小，从而电机的效率得以提高，甚至有可能超过常规三相绕线式异步电机。

(2)将无刷双馈电机的控制绕组由常规的一套拆分成多套后，每套控制绕组所分担的功率下降，因而相应的每个功率变换器承担的功率也下降，使得采用低电压小电流的常规电力电子开关器件构成驱动电路成为可能，不需要将常规电力电子器件进行串并联使用。因而可以大幅度降低电力电子变换器的成本。

(3)采用移相变压器后，整流电路由常规6脉波整流变成12脉波整流或更多脉波整流，减小了系统产生的谐波，同时可提高电力系统的功率因数。

附图说明

图1是本发明实施例提供的变频控制系统的模块结构原理框图；

图2是本发明实施例提供由六相无刷双馈电机和六相驱动电路组成的变频控制系统的模块结构示意图；

图3是本发明实施例提供六相驱动电路中第一功率变换器与第二功率变换器并联连接的电路图；

图4是本发明实施例提供六相驱动电路中第一功率变换器与第二功率变换器串联连接的电路图；

图5是本发明实施例提供由九相无刷双馈电机和九相驱动电路组成的变频控制系统的模块结构示意图；

图6是本发明实施例提供由十二相无刷双馈电机和十二相驱动电路组成的变频控制系统的模块结构示意图；

图7是本发明实施例提供十二相驱动电路中第一功率变换器、第二功率变换器、第三功率变换器和第四功率变换器并联连接的电路图；

图8是本发明实施例提供十二相驱动电路中第一功率变换器、第二功率变换器、第三功率变换器和第四功率变换器串联连接的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以应用于高压大容量风机泵类的调速系统，也可应用于风力或水力发电系统。该方案减少了传统高压大容量变频器方案中的电力电子器件的数量，降低了功率变换器的成本，降低了系统中的谐波含量，提高了系统的效率，同时保持了常规无刷双馈电机驱动方案中的无刷化的优点。

图1示出了本发明实施例提供的变频控制系统的模块结构原理；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

变频控制系统10包括：与负载或原动机20连接的多相无刷双馈电机1以及与多相无刷双馈电机1连接的多相驱动电路2；其中，多相无刷双馈电机1包括：定子11，安放在定子中的一套功率绕组12以及N套控制绕组13；功率绕组12用于与三相电网30连接；N套控制绕组中每一套控制绕组之间以60/N电角度的相位进行排列；每一套控制绕组与多相驱动电路2连接；N为大于等于2的正整数。

多相驱动电路2包括：分别与N套控制绕组连接的N个功率变换器21，分别与N个功率变换器21连接的N个滤波器22以及移相变压器23；移相变压器23包括N个副方绕组和原方绕组；N个副方绕组分别与N个滤波器连接，原方绕组与三相电网30连接。

本发明实施例提供的变频控制系统由机械部分和电气部分组成；机械部分为一种多相无刷双馈电机，与常规三相无刷双馈电机相比，这种多相无刷双馈电机中的功率绕组保持为常规的一套绕组不变，但控制绕组由常规的一套绕组增加到多套，多套控制绕组在定子中均匀排列，每套绕组之间的彼此位移一个固定的电角度，取决于相数的多少。例如六相绕组由两套三相绕组构成，这两套绕组的相带宽度为30度电角度，且在空间上彼此之间也位移30度电角度。九相绕组由三套三相绕组构成，这三套绕组的相带宽度为20度电角度，且在空间上彼此之间也位移20度电角度。依此类推。电气部分包括用于驱动不同控制绕组的多套功率变换器、滤波器和对应的移相变压器。多相无刷双馈电机的控制绕组的数量为两套时，这两套绕组的相带宽度应均为30度电角度，且在定子空间上彼此之间也位移30度电角度，此时在控制系统中，应设计两套独立的功率变换器用于驱动这两套绕组，两套绕组的控制时序(即相位)也应互差30度。控制绕组及其对应的驱动电路的数量增加到更多套时，设计方法依次类推。通过将常规方案中的控制绕组和驱动器的套数由一套变成多套，可以实现大容量系统的低成本控制。

在本发明实施例中，变频控制系统10还包括：与N个功率变换器连接的控制器40，控制器40输出的控制时序为N个功率变换器的输出电流分别相移N/60度，与N套控制绕组在电机定子中60/N度的位移电角度对应。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的多相无刷双馈电机1和多相驱动电路2，现结合具体实例详述如下：

如图2所示，当N为2时，多相无刷双馈电机1为六相无刷双馈电机，六相无刷双馈电机包括第一控制绕组131和第二控制绕组132，第一控制绕组131与第二控制绕组132之间相位差为30度；多相驱动电路2为六相驱动电路，六相驱动电路包括：与第一控制绕组131连接的第一功率变换器211、与第二控制绕组132连接的第二功率变换器212、与第一功率变换器211连接的第一滤波器221、与第二功率变换器212连接的第二滤波器222以及移相变压器23；移相变压器23的第一副方绕组与第一滤波器221连接，移相变压器23的第二副方绕组与第二滤波器222连接，移相变压器23的原方绕组与三相电网30连接；移相变压器23的第一副方绕组与第二副方绕组之间相位差为30度。

与现有技术相比，图2中无刷双馈电机的控制绕组由一套变成了两套，这两套绕组在电机定子中电气上互差30度角排列，在控制上也应按照时间上互差30度的控制方法来控制。此时电机变成了六相电机。两套控制绕组分别由两套不同的功率变换器控制；而两套功率变换器的输入端分别通过不同的滤波器接到移相变压器的不同的副方绕组。移相变压器23的两套副方绕组输出时序互差30度。图2中的移相变压器及相应的两个整流电路构成了十二脉波整流。由于控制绕组中的功率由一套绕组改成两套绕组分担，因此可以承受更大的功率。

在本发明实施例中，第一功率变换器211和第二功率变换器212可以并联连接，也可以串联连接；取决于具体需求。如图3所示，第一功率变换器211包括依次串联连接的第一开关管Q1和第二开关管Q2，依次串联连接的第三开关管Q3和第四开关管Q4，依次串联连接的第五开关管Q5和第六开关管Q6，依次串联连接的第七开关管Q7和第八开关管Q8，依次串联连接的第九开关管Q9和第十开关管Q10，依次串联连接的第十一开关管Q11和第十二开关管Q12，以及第一滤波电容C1；第一开关管Q1和第二开关管Q2的串联连接端与第一控制绕组131连接，第三开关管Q3和第四开关管Q4的串联连接端与第一控制绕组131连接，第五开关管Q5和第六开关管Q6的串联连接端与第一控制绕组131连接；第七开关管Q7和第八开关管Q8的串联连接端与第一滤波器221连接，第九开关管Q9和第十开关管Q10的串联连接端与第一滤波器221连接，第十一开关管Q11和第十二开关管Q12的串联连接端与第一滤波器221连接；第一开关管Q1的非串联连接端依次与第三开关管Q3的非串联连接端、第五开关管Q5的非串联连接端、第七开关管Q7的非串联连接端、第九开关管Q9的非串联连接端和第十一开关管Q11的非串联连接端连接；第二开关管Q2的非串联连接端依次与第四开关管Q4的非串联连接端、第六开关管Q6的非串联连接端、第八开关管Q8的非串联连接端、第十开关管Q10的非串联连接端和第十二开关管Q12的非串联连接端连接；第一滤波电容C1的一端连接至第五开关管Q5的非串联连接端与第七开关管Q7的非串联连接端连接的连接端，第一滤波电容C1的另一端连接至第六开关管Q6的非串联连接端与第八开关管Q8的非串联连接端连接的连接端；第二功率变换器212包括依次串联连接的第十三开关管Q13和第十四开关管Q14，依次串联连接的第十五开关管Q15和第十六开关管Q16，依次串联连接的第十七开关管Q17和第十八开关管Q18，依次串联连接的第十九开关管Q19和第二十开关管Q20，依次串联连接的第二十一开关管Q21和第二十二开关管Q22，依次串联连接的第二十三开关管Q23和第二十四开关管Q24以及第二滤波电容C2；第十三开关管Q13和第十四开关管Q14的串联连接端与所述第二控制绕组132连接，第十五开关管Q15和第十六开关管Q16的串联连接端与所述第二控制绕组132连接，第十七开关管Q17和第十八开关管Q18的串联连接端与所述第二控制绕组132连接；第十九开关管Q19和第二十开关管Q20的串联连接端与所述第二滤波器222连接，第二十一开关管Q21和第二十二开关管Q22的串联连接端与所述第二滤波器222连接，第二十三开关管Q23和第二十四开关管Q24的串联连接端与所述第二滤波器222连接；第十三开关管Q13的非串联连接端依次与第十五开关管Q15的非串联连接端、第十七开关管Q17的非串联连接端、第十九开关管Q19的非串联连接端、第二十一开关管Q21的非串联连接端和第二十三开关管Q23的非串联连接端连接；第十四开关管Q14的非串联连接端依次与第十六开关管Q16的非串联连接端、第十八开关管Q18的非串联连接端、第二十开关管Q20的非串联连接端、第二十二开关管Q22的非串联连接端和第二十四开关管Q24的非串联连接端连接；第二滤波电容C2的一端连接至第十七开关管Q17的非串联连接端与第十九开关管Q19的非串联连接端连接的连接端，第二滤波电容C2的另一端连接至第十八开关管Q18的非串联连接端与第二十开关管Q20的非串联连接端连接的连接端；第五开关管Q5的非串联连接端还与第十七开关管Q17的非串联连接端连接，第八开关管Q8的非串联连接端还与第二十开关管Q20的非串联连接端连接。

如图4所示，第一功率变换器211包括依次串联连接的第一开关管Q1和第二开关管Q2，依次串联连接的第三开关管Q3和第四开关管Q4，依次串联连接的第五开关管Q5和第六开关管Q6，依次串联连接的第七开关管Q7和第八开关管Q8，依次串联连接的第九开关管Q9和第十开关管Q10，依次串联连接的第十一开关管Q11和第十二开关管Q12，以及第一滤波电容C1；第一开关管Q1和第二开关管Q2的串联连接端与第一控制绕组131连接，第三开关管Q3和第四开关管Q4的串联连接端与所述第一控制绕组131连接，第五开关管Q5和第六开关管Q6的串联连接端与所述第一控制绕组131连接；第七开关管Q7和第八开关管Q8的串联连接端与所述第一滤波器221连接，第九开关管Q9和第十开关管Q10的串联连接端与所述第一滤波器221连接，第十一开关管Q11和第十二开关管Q12的串联连接端与所述第一滤波器221连接；第一开关管Q1的非串联连接端依次与第三开关管Q3的非串联连接端、第五开关管Q5的非串联连接端、第七开关管Q7的非串联连接端、第九开关管Q9的非串联连接端和第十一开关管Q11的非串联连接端连接；第二开关管Q2的非串联连接端依次与第四开关管Q4的非串联连接端、第六开关管Q6的非串联连接端连接；第八开关管Q8的非串联连接端、第十开关管Q10的非串联连接端和第十二开关管Q12的非串联连接端连接；第一滤波电容C1的一端连接至第五开关管Q5的非串联连接端与第七开关管Q7的非串联连接端连接的连接端，第一滤波电容C1的另一端连接至第八开关管Q8的非串联连接端连接的连接端；第二功率变换器212包括依次串联连接的第十三开关管Q13和第十四开关管Q14，依次串联连接的第十五开关管Q15和第十六开关管Q16，依次串联连接的第十七开关管Q17和第十八开关管Q18，依次串联连接的第十九开关管Q19和第二十开关管Q20，依次串联连接的第二十一开关管Q21和第二十二开关管Q22，依次串联连接的第二十三开关管Q23和第二十四开关管Q24以及第二滤波电容C2；第十三开关管Q13和第十四开关管Q14的串联连接端与第二控制绕组132连接，第十五开关管Q15和第十六开关管Q16的串联连接端与第二控制绕组132连接，第十七开关管Q17和第十八开关管Q18的串联连接端与第二控制绕组132连接；第十九开关管Q19和第二十开关管Q20的串联连接端与第二滤波器222连接，第二十一开关管Q21和第二十二开关管Q22的串联连接端与第二滤波器222连接，第二十三开关管Q23和第二十四开关管Q24的串联连接端与第二滤波器222连接；第十三开关管Q13的非串联连接端依次与第十五开关管Q15的非串联连接端、第十七开关管Q17的非串联连接端、第十九开关管Q19的非串联连接端、第二十一开关管Q21的非串联连接端和第二十三开关管Q23的非串联连接端连接；第十四开关管Q14的非串联连接端依次与第十六开关管Q16的非串联连接端、第十八开关管Q18的非串联连接端；第二十开关管Q20的非串联连接端、第二十二开关管Q22的非串联连接端和第二十四开关管Q24的非串联连接端连接；第二滤波电容C2的一端连接至第十七开关管Q17的非串联连接端与第十九开关管Q19的非串联连接端连接的连接端，所述第二滤波电容C2的另一端连接至第二十开关管Q20的非串联连接端连接的连接端；第六开关管Q6的非串联连接端还与第二十开关管Q20的非串联连接端连接，第八开关管Q8的非串联连接端还与第十八开关管Q18的非串联连接端连接。

在本发明实施例中，所有的开关管的控制端均连接外部的控制信号。由DSP或单片机构成的中央处理单元，根据采样到的电压、电流、频率、转速等各种信息，经过计算，得出开关管的占空比信号，并通过隔离放大电路将这些占空比信号送入开关管的控制端，用于控制开关管的通断。另外，所有的开关管既可以为IGBT功率管，也可以为MOS管，还可以根据需要选用其它类型的功率开关管。

如图5所示，当N为3时，多相无刷双馈电机1为九相无刷双馈电机，九相无刷双馈电机包括第一控制绕组131、第二控制绕组132和第三控制绕组133，第一控制绕组131、第二控制绕组132和第三控制绕组133相互之间相位差为20度；多相驱动电路2为九相驱动电路，九相驱动电路包括：与第一控制绕组131连接的第一功率变换器211、与第二控制绕组132连接的第二功率变换器212、与第三控制绕组133连接的第三功率变换器213、与第一功率变换器211连接的第一滤波器221、与第二功率变换器212连接的第二滤波器222、与第三功率变换器213连接的第三滤波器以及移相变压器23；移相变压器23的第一副方绕组与第一滤波器221连接，移相变压器23的第二副方绕组与第二滤波器222连接，所述移相变压器23的第三副方绕组与第三滤波器223连接，移相变压器23的原方绕组与三相电网30连接；移相变压器23的第一副方绕组、第二副方绕组与第三副方绕组相互之间相位差为20度。

在本发明实施例中，图5中的无刷双馈电机的控制绕组变成了三套，这三套绕组在电机的定子中电气上互差20度角排列，在控制上也应按照时间上互差20度的控制方法来控制。此时电机变成了九相电机。三套控制绕组分别由三套不同的功率变换器控制；而三套功率变换器的输入端分别通过不同的滤波器接到移相变压器的不同的副方绕组，移相变压器的原方绕组接电网。移相变压器的三套副方绕组输出时序应互差20度。图5中的移相变压器及相应的三个整流电路构成了十八脉波整流。由于功率两套控制绕组改成三套控制绕组分担，因此比图2方案可以承受更大的功率。

其中，第一功率变换器211、第二功率变换器212和第三功率变换器213之间可以相互串联或并联连接，也可以独立使用。

如图6所示，当N为4时，多相无刷双馈电机1为十二相无刷双馈电机，十二相无刷双馈电机包括第一控制绕组131、第二控制绕组132、第三控制绕组133和第四控制绕组134，第一控制绕组131、第二控制绕组132、第三控制绕组133和第四控制绕组134相互之间相位差为15度；多相驱动电路2为十二相驱动电路，十二相驱动电路包括：与第一控制绕组131连接的第一功率变换器211、与第二控制绕组132连接的第二功率变换器212、与第三控制绕组133连接的第三功率变换器213、与第四控制绕组134连接的第四功率变换器214、与第一功率变换器211连接的第一滤波器221、与第二功率变换器212连接的第二滤波器222、与第三功率变换器213连接的第三滤波器223、与第四功率变换器214连接的第四滤波器224以及移相变压器23；移相变压器23的第一副方绕组与第一滤波器221连接，移相变压器23的第二副方绕组与第二滤波器222连接，移相变压器23的第三副方绕组与第三滤波器223连接，移相变压器23的第四副方绕组与第四滤波器224连接，移相变压器23的原方绕组与三相电网30连接；移相变压器23的第一副方绕组、第二副方绕组、第三副方绕组与第四副方绕组相互之间相位差为15度。

在更大容量的应用场合，无刷双馈电机的控制绕组变成了四套，这四套绕组在电机定子中电气上互差15度排列，在控制上也应按照时间上互差15度的控制方法来控制。此时电机变成了十二相电机。四套控制绕组分别由四套不同的功率变换器控制；而四套功率变换器的输入端分别通过不同的滤波器接到移相变压器的不同的副方绕组。移相变压器的四套副方绕组输出时序应互差15度。两台移相变压器的副方绕组没有区别，区别在于原方绕组。移相变压器及相应的四个整流电路构成了二十四脉波整流。由于控制绕组中的功率由三套绕组改成四套绕组分担，因此又可以承受更大的功率。

在本发明实施例中，当功率再继续增大时，无刷双馈电机的控制绕组可以采用更多的相，同时驱动电路也相应要采用更多套的功率变换器控制。功率变换器的输入端应接入不同滤波器和移相变压器的不同的副方绕组，这些副方绕组也有不同的相位。限于篇幅，在此不再赘述。

在本发明实施例中，第一功率变换器211、第二功率变换器212、第三功率变换器213与第四功率变换器214之间可以独立使用、并联使用、串联使用或串并联使用，取决于具体需求。图7示出了四个功率变换器并联使用的情形，图8示出了四个功率变换器串联使用的情形。另外，功率变换器可采用双向或单向功率变换器，取决于调速范围和具体需求。如果不需要将能量回送给电网，可以采用单向功率变换器，否则需要采用双向功率变换器。功率变换器的一侧接多相无刷双馈电机的控制绕组，另一侧通过滤波器接移相变压器的副方绕组。如果多相无刷双馈电机有两套控制绕组，则需要两套功率变换器和两套滤波器，移相变压器需要两套副方绕组，这两套副方绕组之间在相位上彼此互差30度。若多相无刷双馈电机有三套控制绕组，则需要三套功率变换器和三套滤波器，移相变压器需要三套副方绕组，这三套副方绕组之间在相位上彼此互差20度。控制绕组套数更多时，设计方法依次类推。

本发明实施例提供的变频控制系统既可以应用于风机泵类等变频调速场合，又可应用于风力发电和水力发电等场合，是解决大容量电机及驱动系统的一种非常好的方案。本发明的技术效果体现为：(1)将无刷双馈电机的控制绕组由常规的一套拆分成多套后，由于每套绕组的相带宽度由常规的60度相带变成30度或更小，因此控制绕组的基波的绕组系数提高，谐波磁势减小，从而电机的效率得以提高，甚至有可能超过常规三相绕线式异步电机。(2)将无刷双馈电机的控制绕组由常规的一套拆分成多套后，每套控制绕组所分担的功率下降，因而相应的每套驱动器承担的功率也下降，使得采用低电压小电流的常规电力电子开关器件构成驱动电路成为可能，不需要将常规电力电子器件进行串并联使用。因而可以大幅度降低驱动器的成本。(3)采用移相变压器后，整流电路由常规6脉波整流变成12脉波整流或更多脉波整流，减小了系统产生的谐波，同时可提高电力系统的功率因数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多相无刷双馈电机，其特征在于，定子中有一套功率绕组以及N套控制绕组；所述功率绕组与三相电网连接；所述N套控制绕组中每一套控制绕组之间以60/N电角度的相位进行排列，且每套控制绕组的相带宽度也为60/N度电角度；N套控制绕组与多相驱动电路连接；N为大于等于2的正整数。

2.一种变频控制系统，其特征在于，包括：多相无刷双馈电机以及与所述多相无刷双馈电机连接的多相驱动电路；所述多相无刷双馈电机包括：直接连接到电网的功率绕组以及N套与多相驱动电路连接的控制绕组；N套控制绕组中每一套控制绕组之间以60/N电角度的相位进行排列，且每套控制绕组的相带宽度也为60/N度电角度；N为大于等于2的正整数。

3.如权利要求2所述的变频控制系统，其特征在于，所述多相驱动电路包括：分别与N套控制绕组连接的N个功率变换器，分别与N个功率变换器连接的N个滤波器以及移相变压器；

所述移相变压器包括N个副方绕组和原方绕组；所述N个副方绕组分别与所述N个滤波器连接，所述原方绕组与三相电网连接；N个副方绕组之间相位互差60/N度。

4.如权利要求3所述的变频控制系统，其特征在于，所述变频控制系统还包括：与所述N个功率变换器连接的控制器，所述控制器输出的控制时序为N个功率变换器的输出电流分别相移N/60度，与N套控制绕组在电机定子中60/N度的位移电角度对应。

5.如权利要求3所述的变频控制系统，其特征在于，N为2时，所述多相无刷双馈电机包括第一控制绕组和第二控制绕组，第一控制绕组与第二控制绕组之间相位差为30度；

所述多相驱动电路包括：与第一控制绕组连接的第一功率变换器、与第二控制绕组连接的第二功率变换器、与第一功率变换器连接的第一滤波器、与第二功率变换器连接的第二滤波器以及移相变压器；

所述移相变压器的第一副方绕组与所述第一滤波器连接，所述移相变压器的第二副方绕组与所述第二滤波器连接，所述移相变压器的原方绕组与三相电网连接；所述移相变压器的第一副方绕组与第二副方绕组之间相位差为30度。

6.如权利要求3所述的变频控制系统，其特征在于，N为3时，所述多相无刷双馈电机包括第一控制绕组、第二控制绕组和第三控制绕组，第一控制绕组、第二控制绕组和第三控制绕组相互之间相位差为20度；

所述多相驱动电路包括：与第一控制绕组连接的第一功率变换器、与第二控制绕组连接的第二功率变换器、与第三控制绕组连接的第三功率变换器、与第一功率变换器连接的第一滤波器、与第二功率变换器连接的第二滤波器、与第三功率变换器连接的第三滤波器以及移相变压器；

所述移相变压器的第一副方绕组与所述第一滤波器连接，移相变压器的第二副方绕组与所述第二滤波器连接，所述移相变压器的第三副方绕组与所述第三滤波器连接，移相变压器的原方绕组与三相电网连接；移相变压器的第一副方绕组、第二副方绕组与第三副方绕组相互之间相位差为20度。

7.如权利要求3所述的变频控制系统，其特征在于，N为4时，所述多相无刷双馈电机包括第一控制绕组、第二控制绕组、第三控制绕组和第四控制绕组，第一控制绕组、第二控制绕组、第三控制绕组和第四控制绕组相互之间相位差为15度；

所述多相驱动电路包括：与第一控制绕组连接的第一功率变换器、与第二控制绕组连接的第二功率变换器、与第三控制绕组连接的第三功率变换器、与第四控制绕组连接的第四功率变换器、与第一功率变换器连接的第一滤波器、与第二功率变换器连接的第二滤波器、与第三功率变换器连接的第三滤波器、与第四功率变换器连接的第四滤波器以及移相变压器；

所述移相变压器的第一副方绕组与所述第一滤波器连接，移相变压器的第二副方绕组与所述第二滤波器连接，所述移相变压器的第三副方绕组与所述第三滤波器连接，所述移相变压器的第四副方绕组与所述第四滤波器连接，移相变压器的原方绕组与三相电网连接；移相变压器的第一副方绕组、第二副方绕组、第三副方绕组与第四副方绕组相互之间相位差为15度。

8.如权利要求5、6或7所述的变频控制系统，其特征在于，N个功率变换器之间独立使用、串联使用或并联使用。

Images