CN113178845B - 一种交流电源相数变换方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种交流电源相数变换方法及装置，在输入绕组内会有电流流过或在三相对称输入绕组内会有三相对称电流流过形成第一旋转磁场；在三相对称输出绕组内会有三相对称电流流过或在输出绕组内会有电流流过形成第二旋转磁场；转子相对定子转动形成第三旋转磁场；将第一旋转磁场、第二旋转磁场和第三旋转磁场合成获得合成磁场；利用合成磁场切割三相对称输出绕组和各套输入绕组或三相对称输入绕组和各套输出绕组产生感应电动势。本发明在定子上设置三相对称输入绕组和输出绕组，实现三相到多相电源的变换；在定子上设置三相对称输出绕组和至输入绕组，实现多相到三相电源的变换；上述变换提高了过载能力和抗冲击能力。

Description

一种交流电源相数变换方法及装置
技术领域
本发明涉及电源相数变换技术领域，特别是涉及一种交流电源相数变换方法及装置。
背景技术
现代电力系统供电制式主要是以三相制式为主，用户最易获得的电源制是三相电源或单相电源。因此，工业中的用电装备也主要以三相或单相用电装备为主，如工业、农业生产等交流电气传动领域，使用最为广泛的驱动电机主要以三相电机为主。而家用电器由于居民用电主要以单为电源为主，而且供电企业对居民提供的供电线路也仅提供了单相电源，所在家用电器主要是单相电源供电。
目前，尽管三相电机驱动系统在电气驱动应用场合得到了广泛的应用，然而随着现代电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展，在一些特殊电驱动场景中，特别是在大功率、高可靠性驱动场合，如应用在舰船全电力推进、电动车辆、航空航天和军事等驱动系统中的电机，多相电机驱动比三相电机驱动系统更具优势。但是考虑到系统供应的电源主要是三相电源或单相电源，因此，在多相电机驱动系统中，必须有与多相电机相匹配的多相电源。随着电力电子器件和整流、逆变技术的发展，通过逆变器为多相电机提供多相电源成为主要的实施途径。但通过电力电子技术实现相数的变换需要进行复杂的整流和逆变过程，而且为了减少谐波的影响，还需要设置相关的滤波装置。由于该技术的基本原理是通过对电流或电压进行面积等效切割组合，所以容易对系统引入谐波，同时该技术是基于电力电子器件，其稳定性和过载能力均受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种交流电源相数变换方法及装置，以提高过载能力和抗冲击能力。
为实现上述目的，本发明提供了一种交流电源相数变换方法，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置三相对称输入绕组，当所述三相对称绕组接入三相对称电源后，所述三相对称输入绕组与三相对称电源形成回路，在所述三相对称输入绕组内会有三相对称电流流过，形成第一旋转磁场；
步骤S2：在定子上设置至少一套输出绕组，每套输出绕组与负载形成回路，在输出绕组内会有电流流过，形成第二旋转磁场；
步骤S3：转子相对定子转动形成第三旋转磁场；
步骤S4：将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场和所述第三旋转磁场进行合成，获得合成磁场；
步骤S5：利用所述合成磁场切割所述三相对称输入绕组和各套输出绕组，产生感应电动势。
可选地，所述第一旋转磁场的计算公式为：
Figure BDA0003037082990000021
其中，F3为第一旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间。
本发明还提供一种交流电源相数变换装置，所述装置应用于上述方法，所述装置包括：
三相对称输入绕组和至少一套输出绕组；所述三相对称输入绕组和各套所述输出绕组均设置在定子上；
每套所述输出绕组包括n相绕组，各相绕组设置在定子槽内，其中，n为大于且等于2的正整数。
可选地，相邻的两相绕组轴线之间的夹角为：
Figure BDA0003037082990000022
其中，θ为相邻的两相绕组轴线之间的夹角，n为输出绕组的相数，p为电机的极对数。
可选地，所述输出绕组中各相绕组为星形连接；所述三相对称输入绕组中各相绕组为星形连接或角形连接。
本发明还提供一种交流电源相数变换方法，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置至少一套输入绕组，每套输入绕组与负载形成回路，在输入绕组内会有电流流过，形成第一旋转磁场；
步骤S2：在定子上设置三相对称输出绕组，当所述三相对称绕组接入三相对称电源后，所述三相对称输出绕组与三相对称电源形成回路，在所述三相对称输出绕组内会有三相对称电流流过，形成第二旋转磁场；
步骤S3：转子相对定子转动形成第三旋转磁场；
步骤S4：将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场和所述第三旋转磁场进行合成，获得合成磁场；
步骤S5：利用所述合成磁场切割所述三相对称输出绕组和各套输入绕组，产生感应电动势。
可选地，所述第一旋转磁场的计算公式为：
Figure BDA0003037082990000031
其中，Fn为第一旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间，n为输出绕组的相数。
本发明还提供一种交流电源相数变换装置，所述装置应用于上述方法，所述装置包括：
至少一套输入绕组和三相对称输出绕组；所述三相对称输出绕组和各套所述输入绕组均设置在所述定子上；
每套所述输入绕组包括n相绕组，各相绕组设置在定子槽内，其中，n为大于且等于2的正整数。
可选地，相邻的两相绕组轴线之间的夹角为：
Figure BDA0003037082990000032
其中，θ为相邻的两相绕组轴线之间的夹角，n为输出绕组的相数，p为电机的极对数。
可选地，所述输入绕组中各相绕组为星形连接；所述三相对称输出绕组中各相绕组为星形连接或角形连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明在定子上设置三相对称输入绕组和至少一套输出绕组，实现三相到多相电源的变换；在定子上设置三相对称输出绕组和至少一套输入绕组，实现多相到三相电源的变换；其过载和抗冲击能力仅受电机绕组绝缘热效应限制，相比于传统方法其过载能力和抗冲击能力更强，对一些强冲击性负载应用场合具有优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明交流电源相数变换方法流程图一；
图2为本发明三相电源变换为四相电源绕组在定子上的布置示意图；
图3为本发明三相对称输入绕组Y接示意图；
图4为本发明三相对称输入绕组△接示意图；
图5为本发明四相对称输入绕组Y接示意图；
图6为本发明交流电源相数变换方法流程图二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种交流电源相数变换方法及装置，以提高过载能力和抗冲击能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明公开一种交流电源相数变换方法，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置三相对称输入绕组，当所述三相对称绕组接入三相对称电源后，所述三相对称输入绕组与三相对称电源形成回路，在所述三相对称输入绕组内会有三相对称电流流过，形成第一旋转磁场。
步骤S2：在定子上设置至少一套输出绕组，每套输出绕组与负载形成回路，在输出绕组内会有电流流过，形成第二旋转磁场。
步骤S3：转子相对定子转动形成第三旋转磁场。
步骤S4：将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场和所述第三旋转磁场进行合成，获得合成磁场。
步骤S5：利用所述合成磁场切割所述三相对称输入绕组和各套输出绕组，产生感应电动势。
本实施例中，所述第一旋转磁场的计算公式为：
Figure BDA0003037082990000051
其中，F3为第一旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间。
第二旋转磁场的计算公式为：
Figure BDA0003037082990000052
其中，Fn为第二旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间，n为输出绕组的相数。
本实施例中，每套输出绕组的相数根据用电设备的相数进行设置，如四相或五相或其他相数，第二旋转磁场由于相数不同可以是标准圆形旋转磁场，也可以是椭圆形旋转磁场。
本实施例中，在定子上设置三相对称输入绕组，在所述三相对称输入绕组内会有三相对称电流流过，形成第一旋转磁场，在定子上设置至少一套输出绕组，在输出绕组内会有电流流过，形成第二旋转磁场，转子相对定子转动形成第三旋转磁场，将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场和所述第三旋转磁场进行合成，获得合成磁场；利用所述合成磁场切割所述三相对称输入绕组和各套输出绕组，产生感应电动势。三相对称输入绕组产生的感应电动势作为输入电源的负载，而输出绕组产生的感应电动势作为输出电源，向负载输出电源，完成电源由三相变换为多相，完成相数变换功能。
实施例2
本发明公开一种交流电源相数变换装置，所述装置应用于实施例1所述的方法，所述装置包括：三相对称输入绕组和至少一套输出绕组；所述三相对称输入绕组和各套所述输出绕组均设置在定子上；每套所述输出绕组包括n相绕组，各相绕组设置在定子槽内，其中，n为大于且等于2的正整数。
本实施例中，两套绕组可以分层，也可以互相独立进行开槽，如三相对称输入绕组开一套槽，多相输出绕组开一套槽；也可以三相对称输入绕组与多相输出绕组共用开槽，然后进行对称布置。
本实施例中，输出绕组的布置方式需要根据需要进行特殊设计，如需要输出四相电源，而需要在绕组布置时，绕组间轴线呈现互差90度电角度的设置要求；如需要输出五相电源，而需要绕组轴线互差72度电角度，因此总结得出，所述输出绕组中相邻的两相绕组轴线之间的夹角为：
Figure BDA0003037082990000061
其中，θ为相邻的两相绕组轴线之间的夹角，n为输出绕组的相数，p为电机的极对数。
本实施例中，所述输出绕组中各相绕组为星形连接；所述三相对称输入绕组中各相绕组为星形连接或角形连接。与所述定子对应设置的转子采用直流励磁式同步电机结构，或采用永磁式电机结构，或采用感应式电机结构。感应式电机结构可以为鼠笼型、绕组型或实心转子结构。所述转子可以接入机械负载，也可以不接入机机负载。
本实施例中，设置输出绕组的套数根据输出电源的需求(即供电设备的个数)决定的，如果仅需要对一个供电设备进行供电，只需设置一个三相对称输入绕组，一套输出绕组；如果需要对k个供电设备进行供电，则仅需要对一个供电设备进行供电，只需设置一个三相对称输入绕组，k-1套输出绕组；如果供电设备是m相，则输出绕组需要设置m相绕组。如图2所示，设计了三相对称输入绕组的三相分别为A1、B1、C1，输出绕组的四相分别为A2、B2、C2、D2，A2、B2、C2、D2为四相对称输出绕组，相邻的两相绕组轴线间的夹角为90度。如图2所示，三相对称输入绕组在定子铁心内均匀分布，三相对称输入绕组的构成布置方式与常规工业电机三相对称绕组的设计与布置方式相同，采用星形Y连接时的结构图如图3所示，采用角形△连接时的结构图如图4所示。
如图3-4所示，
Figure BDA0003037082990000071
分别为A、B、C三相对称输入绕组中的感应电动势；
Figure BDA0003037082990000072
为电源向三相对称输入绕组输入的电源线电压；r1、x1σ分别为三相对称输入绕组的电阻和漏抗值；/>
Figure BDA0003037082990000073
分别为电源输出绕组的线电流。
如图5所示，
Figure BDA0003037082990000074
分别为A、B、C、D四相输出绕组中的感应电动势；/>
Figure BDA0003037082990000075
为变相后向四相负载输出的电源线电压；r2、x2σ分别为四相输出绕组的电阻和漏抗值；/>
Figure BDA0003037082990000076
分别为变为四相电源向负载输出的线电流。
如图3-5所示，将定子内形成的两个旋转磁场与转子形成的旋转磁场进行合成，获得合成磁场Fδ，该合成磁场分别切割三相对称输入绕组和定子四相输出绕组，在三相对称输入绕组内产生感应电动势
Figure BDA0003037082990000077
在定子四相输出绕组中产生感应电动势
Figure BDA0003037082990000078
三相对称输入绕组中的感应电动势作为输入电源的负载，与输入电源平衡，吸收电源电能；四相输出绕组产生的感应电动势作为输出电源，与负载平衡，从而把电源由三相变换为四相，完成相数变换功能。
本发明提出利用电磁感应定律和旋转磁场构建理论，通过在电机定子上设置一套三相对称输入绕组和至少一套绕组，每套输出绕组为多相绕组(可以根据电源的需要，设计成二相、四相、五相、六相、七相)，从而实现在不改变电源频率的情况下由三相到多相的相数变换。基于该方法进行的相数变换，该种方法不需要复杂的整流、逆变装置和控制算法，以及相关的滤波装置，其过载和抗冲击能力仅受电机绕组绝缘热效应限制，其过载能力和抗冲击能力更强，对一些强冲击性负载应用场合具有优势。另外，本发明还可以通过变换输入绕组和输出绕组匝数，实现输出电压与输入电压的变换。
该种相数变换的方法，还可以通过对转子采用同步电机的直流励磁系统，实现对合成磁场的控制，从而达到对系数无功功率进行控制的作用。如果在转子轴上接入原动机或机械负载，该方法还可以具有电动机的功能和发电机的功能。
实施例3
如图6所示，本发明还提供一种交流电源相数变换方法，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置至少一套输入绕组，每套输入绕组与负载形成回路，在输入绕组内会有电流流过，形成第一旋转磁场。
步骤S2：在定子上设置三相对称输出绕组，当所述三相对称绕组接入三相对称电源后，所述三相对称输出绕组与三相对称电源形成回路，在所述三相对称输出绕组内会有三相对称电流流过，形成第二旋转磁场。
步骤S3：转子相对定子转动形成第三旋转磁场。
步骤S4：将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场和所述第三旋转磁场进行合成，获得合成磁场。
步骤S5：利用所述合成磁场切割所述三相对称输出绕组和各套输入绕组，产生感应电动势。
本实施例中，第一旋转磁场的计算公式为：
Figure BDA0003037082990000081
其中，Fn为第一旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间，n为输出绕组的相数。
所述第二旋转磁场的计算公式为：
Figure BDA0003037082990000082
其中，F3为第二旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间。
本实施例中，在定子上设置至少一套输入绕组，在输入绕组内会有电流流过，形成第一旋转磁场，在定子上设置三相对称输出绕组，在所述三相对称输出绕组内会有三相对称电流流过，形成第二旋转磁场，转子相对定子转动形成第三旋转磁场，将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场和所述第三旋转磁场进行合成，获得合成磁场；利用所述合成磁场切割所述三相对称输出绕组和各套输入绕组，产生感应电动势。输入绕组产生的感应电动势作为输入电源的负载，而三相对称输出绕组产生的感应电动势作为输出电源，向负载输出电源，完成电源由多相变换为三相，完成相数变换功能。
实施例4
本发明还提供一种交流电源相数变换装置，所述装置应用于实施例3所述的方法，所述装置包括：至少一套输入绕组和三相对称输出绕组；所述三相对称输出绕组和各套所述输入绕组均设置在所述定子上；每套所述输入绕组包括n相绕组，各相绕组设置在定子槽内，其中，n为大于且等于2的正整数。
本实施例中，所述输入绕组中的相邻的两相绕组轴线之间的夹角为：
Figure BDA0003037082990000091
其中，θ为相邻的两相绕组轴线之间的夹角，n为输出绕组的相数，p为电机的极对数。
本实施例中，所述输入绕组中各相绕组为星形连接；所述三相对称输出绕组中各相绕组为星形连接或角形连接。与所述定子对应的转子采用直流励磁式同步电机结构，或采用永磁式电机结构，或采用感应式电机结构。感应式电机结构可以为鼠笼型、绕组型或实心转子结构。所述转子可以接入机械负载，也可以不接入机机负载。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种交流电源相数变换方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置三相对称输入绕组，当所述三相对称绕组接入三相对称电源后，所述三相对称输入绕组与三相对称电源形成回路，在所述三相对称输入绕组内会有三相对称电流流过，形成第一旋转磁场；
步骤S2：在定子上设置至少一套输出绕组，每套输出绕组与负载形成回路，在输出绕组内会有电流流过，形成第二旋转磁场；第二旋转磁场的计算公式为：
Figure FDA0004056022660000011
其中，Fn为第二旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间，n为输出绕组的相数；
步骤S3：转子相对定子转动形成第三旋转磁场；
步骤S4：将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场和所述第三旋转磁场进行合成，获得合成磁场；
步骤S5：利用所述合成磁场切割所述三相对称输入绕组和各套输出绕组，产生感应电动势；所述三相对称输入绕组产生的感应电动势作为输入电源的负载，而输出绕组产生的感应电动势作为输出电源，向负载输出，完成电源由三相变换为多相，完成相数变换功能。
2.根据权利要求1所述的交流电源相数变换方法，其特征在于，所述第一旋转磁场的计算公式为：
Figure FDA0004056022660000012
其中，F3为第一旋转磁场，Fφ1为单相绕组磁动势的幅值，θs为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间。
3.一种交流电源相数变换装置，其特征在于，所述装置应用于权利要求1-2任一项所述的方法，所述装置包括：
三相对称输入绕组和至少一套输出绕组；所述三相对称输入绕组和各套所述输出绕组均设置在定子上；
每套所述输出绕组包括n相绕组，各相绕组设置在定子槽内，其中，n为大于且等于2的正整数。
4.根据权利要求3所述的交流电源相数变换装置，其特征在于，相邻的两相绕组轴线之间的夹角为：
Figure FDA0004056022660000021
其中，θ为相邻的两相绕组轴线之间的夹角，n为输出绕组的相数，p为电机的极对数。
5.根据权利要求3所述的交流电源相数变换装置，其特征在于，所述输出绕组中各相绕组为星形连接；所述三相对称输入绕组中各相绕组为星形连接或角形连接。
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