CN107134905B - 一种定子三相-多相双绕组感应发电机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种定子三相‑多相双绕组感应发电机系统，属于电机应用技术领域。该定子三相‑多相双绕组感应发电机的定子采用一套三相绕组和一套多相绕组，两套绕组之间没有电气连接，仅通过磁场耦合。该新型定子双绕组感应发电机的多相绕组可接有多相逆变器，从而构成定子三相‑多相双绕组感应发电机系统。多相逆变器对发电机进行励磁控制，并通过三次谐波电压/电流注入控制方法，提高电机转矩，功率密度，提高系统容错性能；三相绕组通过特定绕制方法，可以不受多相绕组注入三次谐波影响，从而对负载提供正常的三相正弦交流电。该发电机系统可用于航空、地面交流或交直流混合发电等应用场合。

Description

一种定子三相-多相双绕组感应发电机系统
技术领域
本发明公开一种定子三相-多相双绕组感应发电机系统，属于电机应用技术领域。
背景技术
定子双绕组感应发电机（DWIG）是本世纪初提出的一种新型笼型异步电机，它继承了普通笼型异步电机结构简单、成本低、可靠性高等优点。该发电机的定子上有两套绕组，在已有技术文献中一般被称为控制绕组和功率绕组。控制绕组接有功率变换器对电机的磁场和转矩进行调节，功率绕组直接对负载供电，从而构成基于定子双绕组感应发电机的独立发电系统。定子双绕组感应发电机的两套绕组仅通过磁场耦合，无电气连接，变速环境下运行良好，且控制器容量较小，适合在高性能的独立电源系统中应用。
目前定子双绕组感应发电机的两套绕组均为三相绕组。随着电机技术的发展，多相电机逐渐获得研究的关注。与传统的三相电机相比，多相电机的转矩脉动更小，容错能力更强，可靠性更高。研究发现，多相电机可以通过注入谐波电压/电流改善气隙磁密，即采用准方波电压进行供电。由于谐波的注入，多相电机相对于三相电机其转矩密度、效率、材料利用率得到了提高，同时使得控制自由度增大，提高整个系统的控制性能。
多相电机现在大多应用在电动场合，而发电应用领域所需要的交流电形式依旧是三相交流电。从电机的基本理论可以得知，无论是三相还是多相，旋转电机运行的基本原理在于其绕组电流在电机内部产生旋转磁场进行机电能量转换，因此理论上三相和多相绕组都可以共享一个基波旋转磁场，从而实现能量的传递。由此若对上述的传统定子双绕组感应发电机进行改进，将原三相控制绕组改换成多相控制绕组，即可获得控制上更多的自由度；原三相功率绕组仍然保持为三相绕组，在发电过程中产生三相正弦交流电供三相交流负载使用。依照电机基本理论，三相双层120度相带绕组或者三相双层60度相带、2/3短距绕组的三次和三的倍数次谐波分布因数均为零，因此其不产生三次和三的倍数次谐波电势。结合这个特性，可以保证多相绕组中的三次谐波电压/电流不会在三相绕组中感应出相应的谐波感应电势，从而发明出一种新型的双绕组电机结构。
发明内容
本发明提出了一种定子三相-多相双绕组感应发电机系统，该系统通过控制逆变器向多相绕组注入三次谐波电压/电流，同时通过特定绕组绕制方法使三相绕组在系统运行时可以发出正常的三相正弦交流电，而不受多相绕组注入谐波的影响。该系统能在有效提高发电机转矩，功率密度的同时提供高品质的三相正弦交流电。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种定子三相-多相双绕组感应发电机系统，包括一台定子三相-多相双绕组感应发电机，一个由多相逆变器及其驱动控制装置和滤波电感构成的励磁控制器，以及三相交流负载，其中多相逆变器及其驱动控制装置通过滤波电感与定子三相-多相双绕组感应发电机的多相绕组连接，定子三相-多相双绕组感应发电机的三相绕组与三相交流负载连接，所述定子三相-多相双绕组感应发电机的定子拥有两套绕组，其中一套是三相绕组，另一套是多相绕组，两套绕组之间没有电气连接，仅通过磁场耦合。
所述定子三相-多相双绕组感应发电机的定子三相绕组为双层120度相带绕组。
所述定子三相-多相双绕组感应发电机的定子三相绕组为双层60度相带。
所述定子三相-多相双绕组感应发电机的定子三相绕组为2/3短距绕组。
所述励磁控制器用于提供含有基波和三次谐波的非正弦励磁电压/电流，经过滤波后形成准方波波形从定子三相-多相双绕组感应发电机多相绕组侧控制励磁。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明中一套绕组采用多相结构（如五相、双三相、七相、九相等），可以借鉴多相感应电动机常用的三次谐波注入非正弦励磁技术以及容错控制技术，以提供更大的转矩功率密度，输出更多的电能以及获得更高的可靠性，充分发挥因电机相数增多而带来的突出优点。
（2）本发明中另一套绕组采用双层120°相带三相绕组或双层60度相带、2/3短距三相绕组结构，不产生三次和三的倍数次谐波电势，因此多相绕组注入的三次谐波励磁不会影响本发明中三相绕组的输出电压波形，从而巧妙隔离了多相绕组谐波励磁对三相绕组的影响，提供高品质的三相正弦交流电。
附图说明
图1为新型定子三相-多相双绕组感应发电机系统的示意图；其中：1、定子三相-多相双绕组感应发电机；2、滤波电感；3、多相逆变器及其驱动控制装置；4、三相交流负载。
图2为定子三相-多相双绕组感应发电机的一个具体方案—60槽2对极定子三相-五相双绕组感应发电机的结构示意图；其中：A、B、C、D、E表示五相绕组各相编号；a、b、c表示三相绕组各相编号；+、-号表示槽内导体的极性。其中五相绕组为单层绕组结构；三相绕组为双层绕组结构，分为上下两层。
图3为图2所示60槽2对极定子三相-五相双绕组感应发电机的五相绕组展开图。
图4为图2所示60槽2对极定子三相-五相双绕组感应发电机的三相绕组展开图。
图5（a）是新型发电机系统不注入三次谐波运行时气隙磁密分布示意图；图5（b）是新型发电机系统注入三次谐波运行时气隙磁密分布示意图；图5（c）是新型发电机系统不注入三次谐波运行时五相绕组反电动势示意图；图5（d）是新型发电机系统注入三次谐波运行时五相绕组反电动势示意图；图5（e）是新型发电机系统不注入三次谐波运行时三相绕组反电动势示意图；图5（f）是新型发电机系统注入三次谐波运行时三相绕组反电动势示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
如图1 所示的新型定子三相-多相双绕组感应发电机系统，包括定子三相-多相双绕组感应发电机1，滤波电感2，多相逆变器及其驱动控制装置3，三相交流负载4。当采用定子三相-五相双绕组感应发电机时，图1中的多相绕组即为五相绕组、多相逆变器即为五相逆变器、滤波电感即为五相滤波电感。图1中的三相绕组采用三相三线制，而在实际应用中也可以根据不同的要求使用三相四线制（如航空应用）。
在该示例系统中，五相逆变器及其驱动控制装置构成定子三相-五相双绕组感应发电机的励磁控制装置，通过滤波电感与电机的五相绕组连接，三相绕组与交流负载相连，整个结构如图1所示。
本发明中的电机定子拥有两套绕组，其中一套是三相绕组，另一套是多相绕组，两套绕组之间没有电气连接，仅通过磁场耦合。本发明中定子双绕组发电机的定子三相绕组可以为双层120度相带绕组，或者双层60度相带、2/3短距绕组。在这个具体示例中双绕组发电机采用60槽2对极定子三相-五相双绕组感应发电机，其结构和定子槽内导体排布示意如图2所示，其中五相绕组采用36度相带和整距结构的单层绕组，每极每相槽数为3，并联支路数为1，相绕组间采用星型连接，五相绕组展开图如图3所示；其三相绕组采用双层120度相带和2/3短距绕组，每对极每相槽数为10，并联支路数为1，相绕组间采用星型连接，三相绕组展开图如图4所示。这种绕制方式使得多相励磁控制器通过注入三次谐波电压/电流控制气隙磁通密度为准方波波形时，三相功率绕组不受谐波注入影响，不会因电磁感应产出三次谐波相电势，从而保证三相功率绕组对交流负载提供正常的三相正弦交流电。
在该系统运行中使用励磁控制器控制气隙磁通密度波形，即采用三次谐波电压/电流注入方法，改变电机气隙磁通密度波形，该定子双绕组电机的三相绕组不受谐波注入影响，即不会电磁感应出三次谐波相电势。图5中的一系列图片展示了这种谐波注入运行模式与非谐波注入运行模式的区别。图5左栏显示了该系统发电运行时不注入三次谐波时的运行状态，右栏显示了该系统发电运行时注入三次谐波时的运行状态。（a）（b）两图相比较显示，在同幅值的基波含量下，（b）中的磁密峰值更低，因此在这个状态下电机运行的转矩功率密度会更高。（c）（d）两图显示了两种情况下五相绕组反电势波形，可以看出通过驱动五相逆变器调制出基波叠加三次谐波的交流电压波形，即可控制气隙磁密波形。（e）（f）两图显示了三相绕组在五相绕组谐波注入时输出交流电压的波形保持不变。在图5右栏所示的系统发电运行中，系统励磁控制器采用三次谐波电压/电流注入方法，改变电机气隙磁通密度波形，同时隔离了多相绕组谐波励磁对三相绕组的影响，保证了三相正弦交流供电。
定子三相-多相双绕组感应发电机系统技术方案的核心在于双绕组电机的两套绕组中的一套采用三相绕组，另一套采用多相绕组，多相绕组接有励磁变换器对其进行控制，将多相绕组相电压控制成基波叠加三次谐波后的准方波电压，从而使电机气隙旋转磁势改变为相应的准方波波形，提高电机的功率转矩密度，同时三相绕组的绕制方式保证其不会感应出三次谐波相电势。以上所述的示例系统仅是本发明的一种具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以设计出多种结构的三相-多相双绕组感应电机并进行若干改进和润饰，这些设计、改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种定子三相-多相双绕组感应发电机系统，其特征在于：包括一台定子三相-多相双绕组感应发电机（1），一个由多相逆变器及其驱动控制装置（3）和滤波电感（2）构成的励磁控制器和三相交流负载（4），其中多相逆变器及其驱动控制装置（3）通过滤波电感（2）与定子三相-多相双绕组感应发电机（1）的多相绕组连接，定子三相-多相双绕组感应发电机（1）的三相绕组与三相交流负载（4）连接，所述定子三相-多相双绕组感应发电机（1）的定子拥有两套绕组，其中一套是三相绕组，另一套是多相绕组，两套绕组之间没有电气连接，仅通过磁场耦合；所述定子三相-多相双绕组感应发电机（1）的定子三相绕组为双层120度相带绕组或者所述定子三相-多相双绕组感应发电机（1）的定子三相绕组为双层60度相带绕组或者所述定子三相-多相双绕组感应发电机（1）的定子三相绕组为2/3短距绕组；所述励磁控制器用于提供含有基波和三次谐波的非正弦励磁电压/电流，经过滤波后形成准方波波形从定子三相-多相双绕组感应发电机（1）的多相绕组侧控制励磁；三相绕组侧在准方波励磁条件下感应输出三相正弦交流电。
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