CN114944765A - 一种基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器 - Google Patents

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王曙鸿
张寅捷
张那明
段娜娜
张军
王锡凡
王秀丽
骆力州
寇可焓
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Abstract

本发明公开了一种基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，包括输入侧定子、转子及输出侧定子，转子位于输入侧定子与输出侧定子之间；输入侧定子包括输入侧定子铁心以及缠绕于输入侧定子铁心上的输入侧定子绕组；转子包括凸极调磁铁心以及设置于凸极调磁铁心上的永磁体；输出侧定子包括输出侧定子铁心以及缠绕于输出侧定子铁心上的输出侧定子绕组，该变频器具有经济性高、运行可靠性高及性能优越的特点。

Description

一种基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器
技术领域
本发明属于新能源及电力工程技术领域，涉及一种基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器。
背景技术
电网是关系国民经济的重要基础设施，是电力传输的载体和能源资源优化配置的重要平台。近年来，特别是随着清洁能源的加快发展，以及电网智能化技术的推广应用，传统电力系统正快速呈现出高比例电力电子化和高比例新能源电源的新特征。由于我国依次能源与生产力呈逆向分布，且能源生产远离用电负荷中心，为了满足经济社会发展不断增长的用电需要，对加强电网互联和灵活控制，提高电网优化配置能源资源的能力提出了更为紧迫的要求。可再生能源发电机组与传统同步发电机、柔性交直流输变电与传统输变电有重大区别，在不同频率电网之间异步互联方面需要变频器的介入，导致系统动态行为发生深刻变化，对系统稳定性(如功角稳定、电压稳定和频率稳定)产生重大影响。
目前，电网频率变换基本上使用电力电子设备来实现，在大功率的应用背景下大规模的电力电子设备造价十分昂贵，且系统需控制电路配合运行，系统复杂且容易发生故障。也有应用变频变压器来实现频率变换的功能，美国GE公司于20世纪90年代开始研发变频变压器，21世纪初成功应用于电网，核心技术是核心技术是在定子与转子侧都有三相绕组的旋转变压器，并通过直流电机驱动系统确保等效转子磁场与定子磁场在旋转空间上的同步，来调节转子磁场相比较定子磁场的相位差，从而改变由变频变压器传输的有功功率方向和大小。但是该装置需要外加直流电机驱动转子，效率难以进一步提高。
大功率电磁型电能转换装置在我国具有广阔的应用空间，但目前国内对这方面的研究较少，在电能频率变换领域尚未有一种经济性高、运行可靠性高、性能优越的装置被应用，应深化研究并适时推广应用该技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，该变频器具有经济性高、运行可靠性高及性能优越的特点。
为达到上述目的，本发明所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器包括输入侧定子、转子及输出侧定子，转子位于输入侧定子与输出侧定子之间；输入侧定子包括输入侧定子铁心以及缠绕于输入侧定子铁心上的输入侧定子绕组；转子包括凸极调磁铁心以及设置于凸极调磁铁心上的永磁体；输出侧定子包括输出侧定子铁心以及缠绕于输出侧定子铁心上的输出侧定子绕组。
输入侧定子绕组的按三相p对极排布，输入侧定子绕组流过三相交流电流时，产生p对极的旋转磁动势。
在原始频率变换为n倍频率的条件下，所述输出侧定子绕组的三相绕组为np对极排布。
输出侧定子绕组流过三相交流电流时，产生np对极的旋转磁动势。
凸极调磁铁心中包括(1+n)p个凸极调磁块。
所述转子上永磁体的极对数为p。
永磁体表贴于凸极调磁铁心上或者内置于凸极调磁铁心内。
输出侧定子绕组中感应电流产生的旋转磁动势的角速度ωw、转子的角速度ωs及输入侧定子绕组产生的旋转磁场的角速度ωn满足关系式为：
Figure BDA0003645763800000031
其中，pw为输出侧定子绕组的极对数，pn为输入侧定子绕组产生的旋转磁动势的极对数，Z为转子中的凸极调磁块个数。
所述转子内安装短路线圈。
所述输入侧定子绕组、输出侧定子绕组及转子内设置有传感器。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器在具体操作时，输入侧定子包括输入侧定子铁心以及缠绕于输入侧定子铁心上的输入侧定子绕组；转子包括凸极调磁铁心以及设置于凸极调磁铁心上的永磁体；输出侧定子包括输出侧定子铁心以及缠绕于输出侧定子铁心上的输出侧定子绕组，频率变换的倍数可以通过改变输入侧定子绕组的极对数、输出侧定子绕组的极对数以及转子中凸极调磁环的个数来改变，可以完全脱离电力电子设备实现频率变换，且可以保证在额定功率下输入输出功率因数、输出电压电流波形畸变率满足国标要求，且可以实现自起动，且具有良好的稳定性，可以用于很多恶劣的工作环境下，且可以适用于分频输电等各个领域中。满足各种应用场景下对频率和电压变换的要求，满足频率变换能性要求的同时自身特性可以得到兼顾，不会向电网输出无功功率，且不会向电网输出谐波污染电网，从而实现稳定可靠的完成频率和电压变换的任务。
附图说明
图1为本发明的设计原理流程图；
图2为本发明的斜视图；
图3为输入侧定子1的气隙方向视图；
图4为输入侧转子2的斜视图；
图5为输出侧定子3的气隙方向视图；
图6为本发明的工作电路图；
图7为本发明的输入和输出电压波形图。
其中，1为输入侧定子、2为转子、3为输出侧定子、4为输入侧定子铁心、5为输入侧定子绕组、6为永磁体、7为凸极调磁铁心、8为输出侧定子铁心、9为输出侧定子绕组。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
图1为本发明的设计原理流程图，为实现n倍的频率变换，利用转子2将p对极的输入侧定子绕组5产生的旋转磁动势调制为np对极的旋转磁场，与输出侧定子绕组9的np对极相对应，且需要使输入侧定子绕组5产生的旋转磁动势和调制后的三相旋转磁场以同步转速旋转，故调制后的旋转磁场可以在输出侧定子绕组9中感应出n倍频的对称三相交流电压。
三相对称电流流过时，定子绕组可以产生旋转磁动势，旋转磁动势的极对数与绕组排布有关，输入侧定子绕组5产生的旋转磁动势在空间的分布Fn(θ)表示为：
Figure BDA0003645763800000051
其中，i为谐波的次数，Fi为相应次数谐波磁动势的幅值，pn为输入侧定子绕组5的极对数，ωn为输入侧定子绕组5产生的旋转磁动势的角速度，θ0为初始位置的角度，θ为此刻的空间角度位置，t为此刻的时间。
转子2的磁导Λ(θ)在空间的分布表示为：
Figure BDA0003645763800000052
其中，j为谐波的次数，Λ0为磁导中的恒定分量，Λj为相应次数谐波磁动势的幅值，Z为转子2中凸极调磁块的个数，ωs为转子2的角速度。
调制后的磁通为Fn(θ)与Λ(θ)的乘积，输出侧定子绕组9的极对数pw、输入侧定子绕组5产生的旋转磁动势的极对数pn及转子2中的凸极调磁块个数Z满足关系式：
pw+pn＝np+p＝(n+1)p＝Z
输出侧定子绕组9中感应电流产生的旋转磁动势的角速度ωw、转子2角速度ωs及输入侧定子绕组5产生的旋转磁场的角速度ωn满足关系式：
Figure BDA0003645763800000061
为实现上述目的，设置转子2中凸极调磁块的数目Z为(n+1)p，转子2的角速度ωs应满足关系式：
Figure BDA0003645763800000062
即
ωw＝ωn＝ωs
为保证转子2的角速度满足关系，在转子2上添加p对极的永磁体6，永磁体6与输入侧定子绕组5的极对数相同，在稳定运行中，使转子2保持同步转速。
实施例一
以3倍频率变换为例来说明问题。图2为变频器的斜视图；图3为输入侧定子1的气隙方向视图；图4为转子2的斜视图；图5为输出侧定子3的气隙方向视图；本发明所述的变频器包括输入侧定子1、转子2及输出侧定子3，转子2位于输入侧定子1与输出侧定子3之间；输入侧定子1包括输入侧定子铁心4以及缠绕于输入侧定子铁心4上的输入侧定子绕组5；转子2包括凸极调磁铁心7以及设置于凸极调磁铁心7上的永磁体6；输出侧定子3包括输出侧定子铁心8以及缠绕于输出侧定子铁心8上的输出侧定子绕组9。
输入侧定子绕组5为输入端，采用4极12槽整距集中式绕组设计；输出侧定子绕组9为输出端，采用12极18槽分数槽集中式绕组设计，极对数之间满足3倍的关系。应该理解的是，定子极槽配合及绕组的设计不限于本实例的具体设计，只需满足极对数要求和设计目标即可。转子2中凸极调磁块的个数为8，为输入侧定子绕组5与输出侧定子绕组9的极对数之和。转子2中永磁体6的极对数为2，与输入侧定子绕组5极对数相同。各部分的数量关系均满足设计原理，输出侧定子绕组9中感应电流产生的旋转磁动势的角速度ωw、转子2角速度ωs以及输入侧定子绕组5产生的旋转磁场的角速度ωn满足关系式：
Figure BDA0003645763800000071
即
ωw＝ωn＝ωs
各部分角速度的关系也与设计原理一致。本发明可以实现将输出端电压频率变换为输入端电压频率的3倍，并且改变绕组匝数可以实现电压幅值的变换。本领域技术人员可以理解，转子2可以开槽并添加短路线圈以实现自起动，然后迁入同步速旋转，在起动到稳定运行过程中不需要任何控制电路的参与，本发明结构较为简单，在运行过程中，具有很强的稳定性和可靠性，可以适应比较恶劣的工作环境。
图6为本发明的工作电路图。在电路中，变压变频器包括输入端三相绕组及输出端三相绕组，输入端和输出端的三相绕组都是星型连接。输入端三相绕组分别连接三相交流电压源，三相交流电压源公共点接地；为降低输出电压和电流的正弦畸变率，本实例采取无源滤波措施，输出端三相绕组接滤波电阻，然后接三相负载电阻，负载电阻上并联滤波器，负载电阻连接到接地的公共点上。
变压变频器可以将三相交流电压源的频率变换为n倍，然后从输出端输出给负载，对于本实例附图说明中的拓扑结构来说就是变换为3倍，频率变换的倍数可以通过改变输入侧定子绕组5的极对数、输出侧定子绕组9的极对数以及转子2中凸极调磁环的个数来改变，并且同时要改变永磁体6的极对数，以便实现同步旋转。
往往线电压的波形畸变率很小，但相电压存在一定的波形畸变，在电路中的滤波器和滤波电阻配合，实现滤除相电压谐波的作用。选择滤波电阻的阻值应当远大于滤波器支路的阻抗，且远小于负载电阻的阻值，以保证滤波效果且不降低输出电压的幅值。
利用有限元电磁仿真计算软件进行设计和计算，得到本发明的输入和输出电压波形如图7所示，由图7可知，输出线电压频率为输入线电压频率的3倍，本实例实现了3倍频率变换的功能，且可以改变电压的幅值。
本发明采用转子2来进行磁场调制，实现频率变换的功能，且在转子2上安装永磁体6，实现转子2的同步旋转。可以脱离电力电子设备实现频率和电压变换，装置中仅包含铁心、绕组、永磁体6等部件，具有良好的经济性。根据不同的频率变换和电压变换需求，可以通过改变输入侧定子绕组5的极对数和匝数、输出侧定子绕组9的极对数和匝数、转子2中凸极调磁块的个数来实现相应的功能。转子2可以添加短路线圈实现自起动，无需控制电路的参与，系统结构比较简单。本发明的输出功率因数高，输出电压电流波形畸变率小，不会对电网造成污染，工作可靠性高，运行稳定，可以适应比较恶劣的工作环境。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行的各种修改或变更的行为，均在本发明专利的权利申请要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，包括输入侧定子(1)、转子(2)及输出侧定子(3)，转子(2)位于输入侧定子(1)与输出侧定子(3)之间；输入侧定子(1)包括输入侧定子铁心(4)以及缠绕于输入侧定子铁心(4)上的输入侧定子绕组(5)；转子(2)包括凸极调磁铁心(7)以及设置于凸极调磁铁心(7)上的永磁体(6)；输出侧定子(3)包括输出侧定子铁心(8)以及缠绕于输出侧定子铁心(8)上的输出侧定子绕组(9)。
2.根据权利要求1所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，输入侧定子绕组(5)的按三相p对极排布，输入侧定子绕组(5)流过三相交流电流时，产生p对极的旋转磁动势。
3.根据权利要求2所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，在原始频率变换为n倍频率的条件下，所述输出侧定子绕组(9)的三相绕组为np对极排布。
4.根据权利要求3所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，输出侧定子绕组(9)流过三相交流电流时，产生np对极的旋转磁动势。
5.根据权利要求4所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，凸极调磁铁心(7)中包括(1+n)p个凸极调磁块。
6.根据权利要求2所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，所述转子(2)上永磁体(6)的极对数为p。
7.根据权利要求1所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，永磁体(6)表贴于凸极调磁铁心(7)上或者内置于凸极调磁铁心(7)内。
8.根据权利要求5所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，输出侧定子绕组(9)中感应电流产生的旋转磁动势的角速度ωw、转子(2)的角速度ωs及输入侧定子绕组(5)产生的旋转磁场的角速度ωn满足关系式为：
Figure FDA0003645763790000021
其中，pw为输出侧定子绕组(9)的极对数，pn为输入侧定子绕组(5)产生的旋转磁动势的极对数，Z为转子(2)中的凸极调磁块个数。
9.根据权利要求1所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，所述转子(2)内安装短路线圈。
10.根据权利要求1所述的基于磁场调制原理的轴向磁通永磁变压变频器，其特征在于，所述输入侧定子绕组(5)、输出侧定子绕组(9)及转子(2)内设置有传感器。
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