CN104753279B - 交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机 - Google Patents
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Abstract
一种无刷励磁的单电枢同步电机，属于电机技术领域。包括同步电机（1）、变频励磁控制器（2）和旋转整流器（3）。同步电机（1）的定子上安装有电枢绕组（4）和定子感应绕组（5），转子上安装有励磁绕组（6）和转子感应绕组（7）。变频励磁控制器（2）将频率和幅值可调的交流电提供给定子感应绕组（5）；旋转整流器（3）将转子感应绕组（7）的感应交流电压变换成直流向励磁绕组（6）供电，实现单电枢同步电机的无刷励磁及其控制。与现有技术相比，本发明的交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机结构简单，材料利用率提高，励磁功率不受电机运行转速的影响，励磁系统的动态性能好，可用作发电机，也可用作电动机，尤其适用于变频调速同步电动机。
Description
技术领域
本发明涉及一种无刷励磁的单电枢同步电机，尤其涉及一种采用交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机。
背景技术
无刷励磁同步电机一般采用交流励磁机提供励磁电源，而交流励磁机实质是一台电枢旋转的同步发电机，所以整个电机系统存在两个电枢，使得整个电机长度增加，结构复杂，材料利用率降低。利用同步电机绕组磁势和谐波磁导产生相对于转子运动的的谐波气隙磁场，在转子谐波绕组中产生感应电压，通过旋转整流器对转子励磁绕组进行励磁，可以实现无刷励磁同步电机的单电枢结构。但是，这种电机存在以下问题：第一，转子谐波绕组中产生感应电压与电机转速密切相关，在低速时产生的功率输出明显不足，尤其是转速为零时没有功率输出，无法用于变频调速同步电动机的无刷励磁；第二，电机的谐波磁密的可调性差，往往需要在转子上增加励磁控制装置，使电机系统的可靠性降低；第三，为了满足电机转子谐波绕组产生的电磁功率要求而提高谐波磁密，会影响电机的基波磁场使电机的功率密度降低；第四，谐波磁密的利用往往与改善电机电枢绕组的电压波形相矛盾，使电机电枢绕组的电压波形的畸变率过高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种采用交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机，可用作发电机，也可用作电动机，尤其是适用于变频调速的同步电动机。
本发明的交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机由同步电机、变频励磁控制器、旋转整流器组成。在同步电机定子铁心安装有电枢绕组和定子感应绕组，在转子铁心安装有励磁绕组和转子感应绕组。定子感应绕组和转子感应绕组的极对数相同，与电枢绕组的极对数不同，感应绕组的极对数一般小于电枢绕组的极对数。旋转整流器安装在电机的转子上，将转子感应绕组的交流电压变换成直流向励磁绕组供电，实现同步电机的无刷励磁。变频励磁控制器包括主回路和控制回路，将供电电源的交流电转换成频率和幅值可调的交流电，提供给定子感应绕组，实现同步电机的励磁控制。
本发明的无刷励磁单电枢同步电机的转子磁极的极对数与电枢绕组相同，可以全部是电励磁磁极，也可以是混合磁极。全部采用电励磁磁极时，励磁绕组与电枢绕组的极对数相同；采用混合磁极时，转子上既有电励磁磁极，也有永磁磁极。当同步电机具有永磁磁极时，一方面可以减小电励磁功率，使励磁系统所需的容量减小，电机的效率提高；另一方面可以提高交流感应励磁的单电枢无刷同步电机电枢绕组的起励电压，使之用作发电机时可以用电枢绕组的输出电压作为励磁控制器的供电电源。
本发明的变频励磁控制器的主回路采用交-直-交调频调压电路，将供电电源的交流电整流后，通过逆变电路提供给定子感应绕组。整流电路可以采用单相，也可以采用三相，其输出电压可以是不可控的，也可以是可控的；逆变电路一般采用脉宽调制变频逆变电路，相数与定子感应绕组相同，可以采用单相，也可以采用多相。当逆变电路和定子感应绕组采用单相时，可以产生在定子感应绕组轴线方向的脉震气隙磁场，转子感应绕组的感应电压幅值随着转子旋转位置发生周期性变化；因此转子绕组只能采用多相绕组，以保证绕组电压整流后有稳定的直流输出。当逆变电路和定子感应绕组采用多相时，可以产生旋转的气隙磁场，转子感应绕组的感应电压幅值与转子旋转的位置无关；因此转子绕组可以采用多相绕组，也可以采用单相绕组，其电压整流后都可以得到稳定的直流输出。为了简化绕组和与之相连的逆变器和整流器，多相的交流感应绕组一般为三相或两相绕组。
本发明的变频励磁控制器的控制回路具有磁链和电流观测器，其观测方法是：根据定子感应绕组电压和电流的检测值，通过积分求出定子感应绕组的磁链，然后根据磁链方程，由定子感应绕组磁链和电流得到转子感应绕组电流，再通过滤波器由转子感应绕组电流的幅值求得励磁绕组的电流值。因为定子感应绕组电流是频率较高的交变电流，与转子感应绕组电流的相关性很强，所以观测器具有良好的检测效果，可以作为励磁控制和电机转子故障检测和保护的依据。当定子感应绕组采用多相绕组和转子感应绕组采用单相绕组时，其转子感应绕组电流在定子正交坐标的瞬时值是转子转角的正弦和余弦函数，因此也可作转子位置和转速检测的依据。变频励磁控制器的控制回路进行励磁控制时，可以将逆变电路的输出电压频率固定，仅仅控制逆变电路的输出电压的大小，也可以通过逆变电路调节定子感应绕组电压的大小和频率。当定子感应绕组采用多相时，控制回路可以通过磁链和电流观测器，对定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，提高励磁控制的动态性能。
本发明实现了无刷励磁同步电机的单电枢结构，省去了励磁机，使得整个电机长度减小，结构简单，材料利用率提高。当电机运行时，变频励磁控制器不仅可以控制定子感应绕组电压的大小与频率，使交流感应励磁在任何运行转速条件下都能够输出足够的励磁功率，而且可以通过提高定子感应绕组的供电频率，改善励磁系统的动态性能。如果定子感应绕组采用的极对数为电枢绕组的1/2，工作频率为400HZ，其产生的气隙磁密的旋转速度将高于电机额定转速的16倍。因此，可以通过提高定子感应绕组的供电频率，大大减小定子感应绕组产生的谐波气隙磁密。
与现有技术相比，本发明的无刷励磁的单电枢同步电机系统具有如下特点：
1.励磁系统具有良好的可控性和动态性能，不需要在转子上增加励磁控制装置，在任何转速条件下，都可以输出足够的励磁功率，满足变频调速同步电动机的无刷励磁的要求；
2.感应绕组产生的谐波磁场的转速高，所需的谐波磁密的幅值小，基本不影响电机的基波磁场和电机的功率密度；
3.相对于转子运动的的谐波气隙磁场不是利用同步电机电枢绕组磁势和谐波磁导产生，而是由感应绕组电流产生，可以避免同步电机的电枢绕组电压波形变差；
4.变频励磁控制器可以通过磁链和转子电流观测器，对定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，可以进一步提高励磁控制的动态性能。
附图说明
图1.是交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机的原理图；
图2.是交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机的结构示意图；
图3.是交流变频感应无刷励磁的单电枢电励磁同步电机的凸极结构示意图，以2对极为例；
图4.是交流变频感应无刷励磁的单电枢混合磁极同步电机的结构示意图，以3对极为例；
图1、2、3、4中的标号名称：1、同步电机；2、变频励磁控制器；3、旋转整流器；4、电枢绕组；5、定子感应绕组；6、励磁绕组；7、转子感应绕组；8、机壳；9、定子铁心；10、转子铁心；11、转轴；
图5.是单相变频励磁控制器的主回路原理图；
图6.是三相变频励磁控制器的主回路原理图；
图7.是定子感应绕组为单相的磁链和转子电流观测器的原理图；
图8.是定子感应绕组为三相的磁链和转子电流观测器的原理图
图9.是定子感应绕组为三相的励磁系统的矢量控制原理图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机作进一步详细说明。
由图1可知，本发明的交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机由同步电机（1）、变频励磁控制器（2）、旋转整流器（3）组成。同步电机（1）定子上有电枢绕组（4）和定子感应绕组（5），转子上有励磁绕组（6）和转子感应绕组（7）。交流感应绕组的定子感应绕组（4）采用的是三相绕组，转子感应绕组（5）采用的是单相绕组。变频励磁控制器（2）与定子感应绕组（4）相连，旋转整流器（3）与转子感应绕组（5）和励磁绕组（7）相连。由图2可知，同步电机的机壳（8）内装有定子铁心（9）和转子铁心（10），电枢绕组（4）和定子感应绕组（5）安装在定子铁心（9）槽内，励磁绕组（6）和转子感应绕组（7）安装在转子铁心（10）槽内，旋转整流器（3）安装在转轴（11）上。
同步电机转子可以采用隠极结构，也可以采用凸极结构。采用隠极结构时，转子铁心的槽数较多，转子感应绕组的极对数和相数的选择面宽；采用凸极结构时，转子铁心的槽在磁极之间，槽数很少，转子感应绕组的极对数和相数的选择面较窄。图3给出了以2对极为例的交流感应励磁的单电枢无刷同步电机的的凸极结构示意图，其转子感应绕组的极对数为1和相数为2。对于单电枢无刷励磁混合磁极同步电机，必须考虑永磁磁极对转子感应绕组的磁路的影响，转子感应绕组一般采用单相绕组。图4给出了一种交流感应无刷励磁的单电枢混合磁极同步电机的结构示意图，其转子磁极的极对数为3，转子感应绕组的极对数为2和相数为1。
由图5和6可知，变频励磁控制器的主回路包括整流电路和逆变电路。图5给出了单相逆变电路，用于单相定子感应绕组。图6给出了三相脉宽调制逆变电路，用于三相定子感应绕组。图5中采用了全控整流桥，图6采用了三相不可控整流电路，但也可以采用半控桥或直流脉宽调压等其它调压电路。
变频励磁控制器的控制回路主要包括检测电路、控制电路和驱动电路。检测电路可以检测电机的电枢绕组和定子感应绕组的电压和电流；控制电路可以根据控制指令和检测信号，通过驱动电路对主回路进行控制。由图7可知，当定子感应绕组为单相时，磁链和转子电流观测器对定子感应绕组的电压和电流进行积分和相关运算，就可以得到在定子感应绕组轴线方向的转子电流矢量的瞬时值ir。由图8可知，磁链和转子电流观测器将三相定子感应绕组的电压和电流进行坐标变换，然后通过积分和相关运算，就可以得到在定子α、β坐标的定子磁链和转子电流的瞬时值ψα、ψβ、irα、irβ以及磁链矢量和电流矢量的幅值的和方向角度ψs、ir、θ、γ。由图7可知，同步电机励磁绕组的电流if可以由转子绕组电流矢量的幅值ir通过滤波器求得，检测励磁电流的系数k可以通过实验进行校准，以提高检测精度。
变频励磁控制器的控制回路进行励磁控制时，可以将逆变电路的输出电压频率固定，仅仅控制逆变电路的输出电压的大小，也可以通过逆变电路调节定子感应绕组电压的大小和频率。当定子感应绕组采用多相时，控制回路可以通过磁链和转子电流观测器，对定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，提高励磁控制的动态性能。图9给出了定子感应绕组为三相的励磁系统的矢量控制原理图。图中d轴为定子磁链方向，q轴定子磁链为零，是定子磁链ψs的旋转方向，也是转矩电流方向，同步电机的励磁电流主要取决于q轴转矩电流。在励磁电流的矢量控制过程中，如果定子磁链ψs的大小保持不变，通过调节定子磁链的旋转速度ω来控制励磁电流，则逆变器输出的电压幅值和频率都会随着所需控制的励磁电流的大小而变化；如果定子磁链的旋转速度ω保持不变，通过调节定子磁链ψs的大小来控制励磁电流，则逆变器输出的电压仅仅幅值会随着所需控制的励磁电流的大小而变化。
Claims (5)
1.一种交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机，包括同步电机（1）、变频励磁控制器（2）和旋转整流器（3），其特征在于：同步电机（1）的定子上安装有电枢绕组（4）和定子感应绕组（5），转子上安装有励磁绕组（6）和转子感应绕组（7）；定子感应绕组（5）和转子感应绕组（7）的极对数相同，小于电枢绕组（4）的极对数；当定子感应绕组采用单相时，转子感应绕组采用多相绕组；当定子感应绕组采用多相时，转子绕组可以采用多相绕组，也可以采用单相绕组；变频励磁控制器（2）将供电电源的交流电转换成频率和幅值可调的交流电提供给定子感应绕组（5）；旋转整流器（3）安装在转上，将转子感应绕组（7）的感应交流电压变换成直流向同步电机的励磁绕组（6）供电，实现同步电机的单电枢结构的无刷励磁。
2.根据权利要求1所述的交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机，其特征在于：所述的同步电机的转子磁极与电枢绕组的极对数相同，可以全部是电励磁磁极，也可以是混合磁极：即转子上既有电励磁磁极，也有永磁磁极，形成无刷励磁的单电枢混合磁极同步电机。
3.根据权利要求1所述交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机，其特征在于：所述的变频励磁控制器的主回路包括整流电路和逆变电路，整流电路可以采用单相，也可以采用三相，其输出电压可以是不可控的，也可以是可控的；逆变电路的相数与交流感应励磁机的定子绕组相同，可以采用单相，也可以采用多相。
4.根据权利要求1所述的交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机，其特征在于：所述的变频励磁控制器的控制回路具有磁链和电流观测器，能够通过检测定子感应绕组电压和电流，通过积分和相关计算，实时检测出感应绕组的定子磁链、转子电流和励磁绕组电流。
5.根据权利要求1所述的交流变频感应无刷励磁的单电枢同步电机，其特征在于：所述的变频励磁控制器的控制回路能够通过磁链和电流观测器，对多相定子感应绕组产生的旋转磁场采用磁场定向的矢量控制方法，提高励磁控制的动态性能。
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