CN103701381A - 三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法 - Google Patents

三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机运行技术，旨在提供一种三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法。该方法是使异步电机的定子和/或转子齿部最大磁密运行于深度饱和状态，以产生呈准方波分布的气隙磁场。所述的准方波是指：假设方波平顶的幅值为1，则方波的顶部在≥120°的范围内具有幅度变化在0.7～1.0范围内的准平坦部分；同时，在180°的其他部分内，即在准平坦部分的左右两侧各≤30°内从准平坦部分的边缘单调地下降到零。本发明的有益效果是：当磁场波形变成准方波时，有磁密提高、波形改变、谐波转矩这三个因数使异步电机的出力和效率得以提高。

Description

三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法
技术领域
本发明涉及电机运行技术，特别涉及一种由三相正弦波电压供电的异步电机的运行方式。
背景技术
异步电机是国民经济中用得最多的电机。它是由正弦波电压供电，在电机内产生正弦波旋转磁场使电机转子旋转而工作的。异步电机其内部磁场感生的电压必须与外部供电电压平衡，因此磁场感生的电压也必须为正弦波。所以，目前异步电机的磁场皆呈正弦分布。
异步电机的绕组常采用分布绕组、短距绕组、斜槽等措施使得内部磁场尽可能不偏离正弦波，即磁场中5、7、…等高次谐波的含量尽可能小，就是使磁场的基波幅值占磁场幅值的近于100%。附图1虚线代表接近于正弦分布的、顶部有一小段平坦波形的电机气隙磁场感生电压的波形，实线代表其中的基波分量，基波幅值非常接近于虚线幅值。要使电机内部磁场成正弦分布则要求电机定子三相绕组能提供正弦波激磁电流，而且要求电机磁路基本上处于线性状态，即磁路铁心的最大磁密处于临界饱和状态或非饱和区，而不宜处于临界饱和状态以上，更不能处于深度饱和状态。
汪槱生等人在中国专利“异步电机的供电方法”（专利号ZL 2006 1 00498811.1）中曾说明，若用方波电压供电，在异步机内产生方波或准方波旋转磁场，则可以提高电机的出力。本发明将提供一种解决方案，表明通过适当的设计，即便由正弦波电压供电，也可以在电机内产生准方波旋转磁场使电机提高出力和效率。
发明内容
本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法，就是使异步电机的定子和/或转子齿部最大磁密运行于深度饱和状态，以产生呈准方波分布的气隙磁场；
所述的准方波是指：假设方波平顶的幅值为1，则方波的顶部准平坦部分宽度≥120°，在此范围内具有幅度变化在0.7～1.0范围内的准平坦部分；同时，在180°的其他部分内，即在准平坦部分的左右两侧各≤30°内从准平坦部分的边缘单调地下降到零。
本发明中，所述异步电机的三相绕组是下述接法中的任意一种：三相绕组接成星形接法，而且星形中点不与电网中点相连接；或者，三相绕组接成三角形，且在每相绕组中不感生三次谐波电压或在每相绕组中外加3次谐波电流抑制电路，使3次谐波电流不会流通。
本发明中，所述三相正弦波电压供电是由电网供电，或者是变频器变频调速供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
当磁场波形变成准方波时，有三个因数使异步电机的出力和效率得以提高。
第一个因数，磁密提高：当定子磁密从临界饱和上升到深度饱和时磁通增加，譬如从1.5T增加到1.75T，如果波形不变（即仍为正弦波）则磁场感生的电压按比例提高，从1.5V提高到1.75V，即提高了1.75/1.5=1.167倍。
第二个因数，波形改变：在深度饱和的准方波磁场感生的电压波形中基波的幅值为准方波幅值的C1倍，C1大概等于1.15～1.22，即绕组每匝中基波感生电压的幅值比上述第一个因数下感生的电压1.167倍还要高约15～22%，故绕组每匝感生的基波电压将进一步提高1.167×（1.15～1.22）=1.342～1.423倍。在一定供电电压下每匝感生电压的提高表示匝数可以减少，在同样槽面积下导线可以加粗，匝数减少和导线加粗使电阻成平方关系减小，这样使得电机的出力和效率得以提高。
第三个因数，谐波转矩：由于准方波磁场中除基波外还含有3、5、7等高次谐波，这些高次谐波与基波同转向、同转速，当转子转速与磁场的同步速有转差时，这些谐波将切割转子，在转子上产生谐波电流，引起谐波转矩，使电机出力增加。
附图说明
图1为正弦磁场感生的电压波形和基波分量示意图。
图2为方波磁场感生的电压波形和基波分量示意图。
图3为本发明中准方波磁场感生的电压波形和基波分量示意图。
图4为磁化曲线的非饱和区（准线性区）、临界饱和区、饱和区和深度饱和区。
具体实施方式
中国专利“异步电机的供电方法”（专利号ZL 2006100498811.1）指出，异步电机的磁场改成方波或准方波时它的出力和效率会比正弦波时有所提高。方波供电电压可以产生方波磁场。附图2中虚线代表方波磁场感生的电压，实线代表其中的基波分量。基波幅值为方波幅值的4/π（=1.273）倍，以C1代表两者的比值，即C1=1.273。本发明中将说明在一定条件下正弦波电压供电也能在电机内产生准方波磁场，从而提高电机的出力和效率。
本发明中，三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法，是使异步电机的定子和/或转子齿部最大磁密运行于深度饱和状态，以产生呈准方波分布的气隙磁场；所说的准方波是指：方波的顶部宽度在≥120°的范围内具有幅度变化在0.7～1.0范围内（取平顶的幅值为1）的准平坦部分、同时在180°的其他部分内，即在准平坦部分的左右两侧各≤30°内从准平坦边缘单调地下降到零。
本发明中，要求电机三相绕组接成星形接法，而且星形中点不与电网中点相连接，如果接成三角形接法则要每相绕组中不感生三次谐波电压或在每相中外加3次谐波电流抑制电路，使3次谐波电流不会流通。
例如，附图3表示准方波的一个个例，它的平顶宽为150°、平顶幅度从平顶两侧的0.7平滑上升到中央的1.0，它的两侧各15°范围内从平顶边缘的0.7单调地下降到零。这种准方波的C1值大概等于1.15～1.22左右，略小于1.273但大于1，即它所含基波幅值约为准方波幅值的1.15～1.22倍左右。要使正弦波电压供电时能在电机内部产生准方波磁场只要使铁齿的最大磁密处于深度饱和状态。附图3就是平常电机在正弦波电压供电下提高它的铁心饱和程度后气隙磁场变成准方波的波形。要使铁心齿部饱和只要设计电机定子和转子两者或其中的任一者的齿部最大磁密处于深度饱和状态。
本发明中，所述非饱和区，就是磁化曲线的高斜率的初始准线性区段，见附图4。对现用的电机硅钢片而言，非饱和区大概磁密为0～1.4左右Tesla的区段。
本发明中，所述临界饱和区，就是通常所说的磁化曲线的“膝部”，也就是磁化曲线的高斜率的初始准线性非饱和区段与低斜率的准平坦区段之间的过渡区段，如附图4所示，对现用的电机硅钢片而言，临界饱和磁密大概为1.5T左右。
本发明中，所述饱和区，就是磁化曲线的临界饱和之上的低斜率的准平坦区段，如附图4中所示。对现用的电机硅钢片而言，饱和磁密大概为1.5T以上。
本发明中，所述深度饱和区，就是饱和区段中的最后部分，使电机齿部磁场最大强度达到临界饱和时的4～5倍以上的区域，磁化曲线斜率近于零。它也就是使磁场分布能够达到上述准方波状态的磁密。对现用的电机硅钢片而言，深度饱和磁密大概为1.7T以上。
上述发明从理论上讲是利用了铁磁材料的非线性现象，产生了改变磁场波形的效应，使定子的正弦波激磁电流产生含有3、5、7等次谐波的准方波磁场。同时由于电机绕组采用星形接法使定子每相绕组中不会出现3次谐波电流，相邻两相串联形成的线绕组中不会出现3次谐波电压，而且利用分布绕组、短距绕组使准方波磁场中的5、7等高次谐波基本上不在定子绕组中感生5、7等次谐波电压，因此上述准方波磁场在定子绕组中感生的线电压能与由电网加在绕组端的正弦波线电压基本平衡。
具体实施案例：
我们设计了一台由三相、380V、正弦波电压供电的4极、准方波磁场的异步电动机，它的定子总槽数为48槽，每极每相4个槽，定子绕组为短距分布绕组，线圈跨距为第1到第11槽，即线圈跨度Y为10个槽。对基波的绕组系数Kdp1=0.9250，对第5、7、11、13次谐波的绕组系数分别为
Kdp5=0.053145；
Kdp7=0.04078；
Kdp11=0.12178；
Kdp13=0.12178；
电动机的三相绕组接成星形接法。齿部最大磁密设计为1.7～1.8Tesla，已处于深度饱和状态。此电机磁场感生电压波形按设计大体如附图3所示。

Claims (3)

1.三相正弦波电压供电的异步电机的准方波磁场运行方法，其特征在于，是使异步电机的定子和/或转子齿部最大磁密运行于深度饱和状态，以产生呈准方波分布的气隙磁场；
所述的准方波是指：假设方波平顶的幅值为1，则方波的顶部在≥120°的范围内具有幅度变化在0.7～1.0范围内的准平坦部分；同时，在180°的其他部分内，即在准平坦部分的左右两侧各≤30°内从准平坦部分的边缘单调地下降到零。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异步电机的三相绕组是下述接法中的任意一种：
三相绕组接成星形接法，而且星形中点不与电网中点相连接；或者，
三相绕组接成三角形，且每相绕组中不感生三次谐波电压，或在每相中外加3次谐波电流抑制电路，使3次谐波电流不会流通。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三相正弦波电压供电是由电网供电，或者是变频器变频调速供电。
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