CN114400798A - 一种单绕组直流励磁无刷双馈电机及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单绕组直流励磁无刷双馈电机及其控制电路，属于交流电机及其控制技术领域。本发明电机定子铁心内只有一套绕组，但能实现两种极对数的磁场。当定子绕组通入交流电，在定子铁心内可形成一个极对数的磁场；当定子绕组通入直流电，利用空间总合成磁势中新增的谐波分量实现另一个极对数的磁场；交流电流所形成的磁场为旋转磁场；直流电流所形成的磁场为静止磁场。本发明将常规无刷双馈电机中的功率绕组和控制绕组合二为一，电机铜耗减小，转矩密度和效率提高。同时将常规无刷双馈电机控制电路中的背靠背并联运行的四象限变频器改造为多个独立控制的电压源逆变器，使控制电路和控制算法得以简化。

Description

一种单绕组直流励磁无刷双馈电机及其控制电路
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，涉及一种单绕组直流励磁无刷双馈电机及其控制电路。
背景技术
无刷双馈电机(BDFM)是一种特殊的电机。无刷双馈电机在定子铁心内有两套不同极对数的定子绕组。这两套绕组所形成的不同极对数的磁场在转子侧可通过绕组或特殊磁路耦合在一起，从而取消掉转子上的滑环和电刷。一般功率绕组直接连接到50Hz的三相电网。而控制绕组一般通过四象限的变频器接到50Hz电网，并通过变频器的频率、相位、电压大小等变量的控制，实现无刷双馈电机的发电或电动运行。
无刷双馈电机具有结构简单、可靠性高以及功率绕组的功率因数可以调节到1等优点，可在双馈模式下实现次同步、同步、超同步运行。在理论上，如果转速变化范围不大，变频器的容量可以设计得较小，这样可以提高系统的整体运行效率。无刷双馈电机的这种性能特点使得其在变频调速系统、船用轴带发电、风力发电、水力发电等领域中有望得到广泛应用。为了将无刷双馈电机实用化，国内外的专家学者进行了大量研究和改进。
(1)由于在定子铁心中，存在两套不同极对数的定子绕组，这两种极对数的磁场在定子铁心中会相互叠加。为了避免磁性材料的饱和，每套极对数绕组产生的磁密都不能太高，因此铁心磁性材料的利用率较低。另外，两套定子绕组要相互绝缘，因此对定子槽的窗口占用面积较大，进一步造成电机的体积较大。由于在设计时很难完全消除谐波，电机的漏感较大，功率因数不高。这些因素都降低了电机的效率。
(2)从目前无刷双馈电机在发电系统中的实际应用情况来看，在次同步发电运行模式下，由于电机中存在能量的内部环流，转子的铁耗增大，因此电机的效率进一步降低。此时若仍然需要电机的满功率发电，则电机的发热非常大。这就使得电机在宽转速下的恒功率发电变得极为困难，限制了电机的应用范围。
(3)四象限变频器既要连接电网，又要连接控制绕组，控制算法相对比较复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单绕组直流励磁无刷双馈电机及其控制电路，其目的在于提高无刷双馈电机性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种单绕组直流励磁无刷双馈电机，定子铁心内仅设置有一套绕组；
该套绕组能够实现两种极对数的磁场：对定子绕组通入交流电流，在定子铁心内形成一个极对数的磁场；对定子绕组通入直流电流，利用空间总合成磁势中新增的谐波分量实现另一个极对数的磁场；
交流电流所形成的磁场为旋转磁场；直流电流所形成的磁场为静止磁场。
进一步地，绕组为开绕组形式。
进一步地，绕组各相串联。
进一步地，对于1/3对极的电机，定子铁心内设置三相绕组，利用空间总合成磁势中三次谐波分量实现极对数为3的磁场。
进一步地，对于2/4对极的电机，定子铁心内设置四相绕组，利用空间总合成磁势中二次谐波分量实现极对数为4的磁场。
1/3对极的单绕组直流励磁无刷双馈电机的控制电路，包括：依次连接的直流励磁控制回路、整流桥、三个单相逆变器和变压器。
2/4对极的单绕组直流励磁无刷双馈电机的控制电路，包括：依次连接的直流励磁控制回路、整流桥、四个单相逆变器和变压器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明定子绕组铜耗和铁耗减小。常规方案两套定子绕组均要实现正弦化设计，完全消除所有谐波比较困难，基波绕组系数会受到影响，材料的利用率不高。本发明所提出的方案本身就利用了绕组的谐波，基波和谐波的绕组系数都可以做到很高，材料利用率得以提高；另外控制绕组的铁耗为0，这些因素都有助于提高电机的转矩密度和效率。
(2)本发明可以轻松实现正反转。常规方案的功率绕组直接并网，相序就固定了，变频器无论是正频率还是负频率，电机都只能一个转向。如果要反转则要加一个反相序接线的接触器或开关，而且切换时要断电。本发明所提出的电机方案则通过电力电子变换器就可实现正反转运行，不需要额外器件。
(3)本发明变频器控制算法简单。常规方案需要一套网侧功率变换器和一套机侧变换器，且需要能量的双向流动，这样系统和控制算法就比较复杂，对数字信号处理器(DSP)等控制器件的要求很高。本发明所提出的方案只需要多套单相变换器，降低了控制的难度。
(4)本发明所提出的电机在控制特性上是一台电励磁的同步电机，因此不存在常规鼠笼转子电机所存在的转差速度问题，可以实现转速的精确控制。另外，对于发电机应用，并不需要无编码器或速度传感器，因为根据绕组频率就知道了转速。而且本身绕组要经过整流才提供给下一级电路，因此对频率的变化不敏感。对于电动机应用，理论上也可以做到无编码器运行，其原理与常规同步电动机的无编码器控制算法类似，只需要检测绕组电压、频率等信息就可以实现。
(5)本发明理论上可实现缺相运行，即一相绕组或逆变器损坏后，系统仍可降额运行。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种2/6极三相单绕组无刷双馈发电机控制方案示意图；
图2是本发明一个实施例的一种2/6极三相单绕组无刷双馈电动机控制方案示意图；
图3是本发明一个实施例的一种4/8极四相单绕组无刷双馈发电机控制方案示意图；
图4是本发明一个实施例的一种4/8极四相单绕组无刷双馈电动机控制方案示意图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种单绕组直流励磁的无刷双馈电机方案，即将功率绕组和控制绕组合二为一，定子铁心中只有一套绕组，但又能同时实现两种极对数的磁场。这样设计无刷双馈电机的体积会比传统方案大为减小。同时，控制绕组可以采用直流励磁的方法，其功率变换器的容量极小，控制系统的控制算法也大为简化。再加上控制绕组为直流后，引起的铁耗近似为0。
实施例一
以2/6极方案为例，设功率绕组极对数pp＝1，控制绕组极对数pc＝3。假设定子为三相绕组，A、B、C三相绕组的空间磁势分布表达式为：
Figure BDA0003454719320000051
上式中，α为空间机械角度。k1、k3、k5为常数，与绕组系数和匝数有关；ia(t)、ib(t)、ic(t)分别为A、B、C三相的绕组电流。将三相磁势相加，可得空间总合成磁势。
在每相绕组中通入相同大小的直流，即令三相电流分别为ia(t)＝Im cos(ωt)+Id，
Figure BDA0003454719320000052
并忽略5次谐波及以上的高次分量，则空间总合成磁势为：
Figure BDA0003454719320000053
其中Im为各相电流中的交流电流分量的幅值，Id为直流分量的幅值。
可见当绕组电流中加入直流零序分量后，空间的合成磁势中包含旋转的基波磁场以及位置固定不变的三次谐波，正好对应于所需要的1/3对极的磁场。
根据无刷双馈电机的理论，设功率绕组和控制绕组(这里已经简化成了一套绕组，但并不影响理论分析)的频率分别为fp、fc，则转速N与频率的关系为:
Figure BDA0003454719320000054
其中pp、pc分别为功率绕组和控制绕组的极对数。可见当fc固定为0时，功率绕组的频率和转速成正比。若pp＝1，pc＝3，当转速为750r/min时，功率绕组频率为50Hz，此时的单绕组无刷双馈电机等同于4对极电机。
为了通入直流电流，可以将电机的所有定子绕组设计成开绕组，即绕组的所有端部要引出。为了减小励磁电路的容量，可以采用将所有定子绕组全部串联的控制电路，这样在稳态下，串联绕组内的旋转电动势为0，端部的控制电压为直流电压，只需要提供很小的定子电阻压降，就可输入较大的直流电流。
一种适合于发电应用的2/6极单绕组直流励磁无刷双馈电机控制电路如图1所示。将三相绕组串联后，2极磁场所感应的电势相互抵消，因此从A1、C2端部看，串联绕组变成三个6极绕组串联结构，电感量为3个单相6极绕组电感的叠加。又由于串联绕组通入的是直流电，6极绕组产生的是固定的静止磁场而不是旋转磁场，因此绕组磁势所产生的旋转电势为0。这样只需要很小的直流电压就可满足励磁要求。用一个低压的直流DC/DC变换器(斩波器)可以改变输出直流电压的大小，从而改变励磁电流的大小。显然，直流励磁控制回路所需的功率极小，可忽略不计。
每相绕组单独引出后，经不控整流电路，可以得到一个直流电压，再经过单相电压源逆变器变换后，得到单相工频交流电源。再经过变压器隔离后，可以提供三相对称的工频交流电压，供交流负载使用。该电路既可实现三相供电，也可给单相负载供电，同时也可实现并网发电。
该方案由于需要将三相绕组串联使用，使得三相绕组必须再经过变压器隔离后才能给常规交流负载使用，似乎影响了效率。但在许多应用场合，变压器本来就是必须的。例如目前船舶上主流应用的柴油发电机，发出的交流电一般不会直接提供给船舶上的交流负载，而是要经过三相变压器隔离后再提供给负载。因此本方案在应用于船舶轴带发电系统时并不会影响效率。
为了避免出现所有绕组都要使用隔离的电源来驱动的情况，也可以将每个单相绕组用一个电压源逆变器供电，所有的逆变器共用同一个直流母线。具体地，一种适合于电动应用的变频调速控制电流如图2所示。由于设计三个独立的直流电源成本很高，因此在图2中取消了图1中所采用的直流励磁控制回路以及图1中的三个工频隔离变压器。在电机中三相绕组是独立设计的，本来就相互绝缘，因此图2中不存在三个绕组的隔离问题，可以共用一个直流电压母线。
图2中，每个单相电压源逆变器只给一个单相绕组供电，因此可以精确控制每个绕组的电流，包括交流分量和直流分量。直流分量的大小取决于弱磁调速范围，交流分量的大小取决于转矩的需求。交流分量的频率和角度取决于每相的感应电势、绕组的电感和压降等。
实施例二
以4/8极方案为例，设功率绕组极对数pp＝2，控制绕组极对数pc＝4。假设定子为四相绕组，A、B、C、D四相绕组的空间磁势分布表达式为(忽略更高次谐波)：
Figure BDA0003454719320000071
上式中，k2、k4为常数，与绕组系数和匝数有关。ia(t)、ib(t)、ic(t)、id(t)分别为A、B、C、D四相的绕组电流。将上述四相磁势相加，可得空间总合成磁势。
令四相电流分别为ia(t)＝Imcos(ωt)+Id，
Figure BDA0003454719320000072
ic(t)＝Imcos(ωt-π)+Id，
Figure BDA0003454719320000073
则空间总的合成磁势为：
2k2Imcos(2α-ωt)+4k4Idcos(4α) (5)
可见当各相绕组电流中加入直流分量后，空间合成磁势中包含旋转的基波磁场以及位置固定不变的二次谐波分量，正好对应于所需要的2/4对极的磁场。若pp＝2，pc＝4，当转速为500r/min时，功率绕组频率为50Hz，此时的单绕组直流励磁无刷双馈电机等同于6对极电机。
本发明所提出的单绕组直流励磁无刷双馈电机在控制特性上实际上类似于常规的电励磁同步电机，只不过常规同步电机中转子侧的直流励磁绕组在这里变成了定子侧，因此实现了无刷电励磁。
一种适合于发电应用的4/8极单绕组直流励磁无刷双馈电机控制方案见图3所示。将四相绕组串联后，4极磁场所感应的电势相互抵消，因此从A1、D2端部看，串联绕组变成四个8极绕组串联结构，电感量为四个单相8极绕组电感的叠加。又由于串联绕组通入的是直流电，8极绕组产生的是固定的静止磁场而不是旋转磁场，因此绕组磁势所产生的旋转电势为0。这样只需要很小的直流电压就可满足励磁要求。用一个低压的直流DC/DC变换器(斩波器)可以改变输出直流电压的大小，从而改变励磁电流的大小。显然，直流励磁控制回路所需的功率极小，可忽略不计。
适合于电动应用的变频调速控制方案见图4所示。由于设计四个独立的隔离电源成本很高，因此在图4中取消了图3中所采用的直流励磁控制回路以及四个工频隔离变压器。在图4电机中的四相绕组是独立设计的，本来就相互绝缘，因此图4中不存在四个绕组的隔离问题，可以共用一个直流电压母线。图4中，每个单相电压源逆变器只给一个单相绕组供电，因此可以精确控制每个绕组的电流，包括交流分量和直流分量。直流分量的大小取决于弱磁调速范围。交流分量的大小取决于转矩的需求。交流分量的频率和角度取决于每相的感应电势、绕组的电感和压降等。
依此类推，可以设计出4/12极、8/16极等更多的极对数方案。此处不再详述。
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 (7)

1.一种单绕组直流励磁无刷双馈电机，其特征在于，定子铁心内仅设置有一套绕组；
该套绕组能够实现两种极对数的磁场：对定子绕组通入交流电流，在定子铁心内形成一个极对数的磁场；对定子绕组通入直流电流，利用空间总合成磁势中新增的谐波分量实现另一个极对数的磁场；
交流电流所形成的磁场为旋转磁场；直流电流所形成的磁场为静止磁场。
2.根据权利要求1所述的一种单绕组直流励磁无刷双馈电机，其特征在于，绕组为开绕组形式。
3.根据权利要求2所述的一种单绕组直流励磁无刷双馈电机，其特征在于，绕组各相串联。
4.根据权利要求1所述的一种单绕组直流励磁无刷双馈电机，其特征在于，对于1/3对极的电机，定子铁心内设置三相绕组，利用空间总合成磁势中三次谐波分量实现极对数为3的磁场。
5.根据权利要求1所述的一种单绕组直流励磁无刷双馈电机，其特征在于，对于2/4对极的电机，定子铁心内设置四相绕组，利用空间总合成磁势中二次谐波分量实现极对数为4的磁场。
6.一种权利要求4所述1/3对极的单绕组直流励磁无刷双馈电机的控制电路，其特征在于，包括：
依次连接的直流励磁控制回路、整流桥、三个单相逆变器和变压器。
7.一种权利要求5所述2/4对极的单绕组直流励磁无刷双馈电机的控制电路，其特征在于，包括：
依次连接的直流励磁控制回路、整流桥、四个单相逆变器和变压器。
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