CN1713511A - 高滑差变频调速方法及其机构 - Google Patents

Abstract

一种高滑差变频调速方法及其机构，选用无刷双馈电机，该电机绕组具有两种不同的极数，控制绕组接通变频器输出电源，变频器启动驱动控制绕组；由控制单元对系统进行检测，由控制单元发出指令接通无刷双馈电机功率绕组的高压电源，控制单元自动接通或断开逆变回馈单元的工作状态，控制单元联接一计算机。其机构包括：无刷双馈电机和与电机联接的变频装置，变频装置由变频器连接一逆变回馈单元及无刷双馈电机控制单元组成，本发明构造简捷，方法优化，实现了以较小的变频装置功率和较低的变频电源电压，控制无刷双馈电机的工作转速，完全能够满足风机、泵类的工况要求，可使无刷双馈电机变频调速节能技术得到广泛的应用。

Description

高滑差变频调速方法及其机构

                          技术领域

本发明属于电机领域，涉及一种变频调速方法，尤其适用于无刷双馈电机。

                          背景技术

无刷双馈电机是一种具有调速优势的新型电机，较为先进的如中国专利公开的02294621.7绕线式无刷双馈电机。无刷双馈电机的应用，使业界对更适于此种电机的变频调速方法有了更迫切的要求。

现行普通电机调速方法很多，其中较好的方法是用变频器向电机提供变频电源调速。但是由于现行普通电机要求变频器功率与电机功率相同才能满足工作要求，对于功率较大的高压电机，使用高压变频器投资过高，制约了电机变频调速节能技术的推广应用。

尤其是对电机拖动风机、泵类负载，业界需要一种适用于无刷双馈电机的变频调速方法及其机构。

                          发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服袭用技术存在的上述缺陷，而提供一种可以较小的变频装置功率和较低的变频电源电压，控制无刷双馈电机的工作转速的方法及其机构。

本发明第一目的是提供一种无刷双馈电机高滑差变频调速方法，实现以较小的变频装置功率和较低的变频电源电压，控制无刷双馈电机的工作转速。

本发明第二目的是提供一种无刷双馈电机高滑差变频调速机构，以无刷双馈电机配置小于电机输出功率、低于电机功率绕组工作电压的变频装置。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种高滑差变频调速方法，具有如下步骤：

--接通变频器电源，系统自检，变频装置的变频器电源端接低压电网电源，由变频装置的控制单元对系统进行检测，符合启动无刷双馈电机的控制绕组之设定值时，令变频器驱动控制绕组工作；

--由控制单元对系统进行检测，符合接通无刷双馈电机的功率绕组启动之设定值时，由控制单元发出指令接通无刷双馈电机的功率绕组输入电源，使控制绕组和功率绕组共同运行，无刷双馈电机的功率绕组端接高压电网电源；控制单元联接一计算机，处理来自控制单元的数据。

--由控制单元对变频器直流侧电压进行检测，超过设定值时，逆变回馈单元开始工作，将直流侧能量逆变成交流工频送回电网；低于变频器直流侧电压设定值时，逆变回馈单元关闭。

本发明解决的技术问题还可以采用以下技术措施来进一步实现：

前述的高滑差变频调速方法，其中，所述的无刷双馈电机，该电机具有两种不同极数的绕组，功率绕组极数小于控制绕组极数，符合关系式N＝60(fp+fc)/Pp+Pc；功率绕组的磁通密度大于控制绕组的磁通密度，符合关系式Temp/Temc≈Bp/Bc。

其中：fc表示变频器输出电源频率

fp表示电网电源频率

Temp表示功率绕组电磁转矩

Temc表示控制绕组电磁转矩

前述的高滑差变频调速方法，其中，所述的无刷双馈电机，该电机具有两种不同极数的绕组，功率绕组极数小于控制绕组极数，符合关系式N＝60(fp+fc)/Pp+Pc；功率绕组的磁通密度大于控制绕组的磁通密度，符合关系式Temp/Temc≈Bp/Bc。

本发明解决其又一技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种引用前述高滑差变频调速方法的机构，包括，无刷双馈电机和与电机联接的变频装置，其中，

一无刷双馈电机，具有控制绕组和功率绕组，

一变频装置，由变频器连接一逆变回馈单元及无刷双馈电机控制单元；

所述的变频器输入端子接入低电压电网电源，其输出端子联接无刷双馈电机的控制绕组；

所述的逆变回馈单元的直流端与变频器直流端端子同极性相连接，其输出端并联到变频器输入端子低压电网端；

无刷双馈电机的控制单元分别与变频器、逆变回馈单元、变频器输入电源端、控制绕组输入端及功率绕组输入端，通过控制测量单元联接，控制单元联接一计算机。

前述的机构，其中，所述的控制测量单元联接为传感器。

前述的机构，其中，所述的无刷双馈电机绕组具有两种不同极数，极数少的绕组作为功率绕组，与高压电网电源连接；极数多的绕组作为控制绕组，与变频装置相连接。

前述的机构，其中，所述的无刷双馈电机具有变极绕组，功率绕组极数少，与高压电网电源连接；控制绕组极数多，与变频装置相连接。

前述的机构，其中，所述的无刷双馈电机绕组具有两套不同极数，极数少的绕组作为功率绕组，与高压电网电源连接；极数多的绕组作为控制绕组，与变频装置相连接。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明在优异的结构配置下，至少有如下的优点：

本发明方法以无刷双馈电机少数极绕组作为一个电机，多数极绕组作为另一电机，在特定的调速范围内，使无刷双馈电机调速范围与实际工程惯例吻合，实现了以较小的变频装置功率和较低的变频电源电压，控制无刷双馈电机的工作转速的目的，具有很强的推广性。

本发明方法中功率绕组的磁密度Bp大于控制绕组的磁密度Bc，从而保证无刷双馈电机调速优势的发挥。

本发明机构变频装置与无刷双馈电机合理、简单的配置，可以实现以较小的变频装置功率和较低的变频电源电压，控制无刷双馈电机的工作转速，由此，可将无刷双馈电机应用于风机、泵类负载拖动，尤其是高压电机拖动的风机、泵类负载，可以大大降低调速装置的投资，使变频调速技术在高压电机领域广泛应用成为可能，从而节约大量的电能。本发明对比现有技术有显著的贡献和进步，确实是具有新颖性、创造性、实用型的好技术。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

                        附图说明

图1是本发明系统接线示意图。

                      具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1所示，一种高滑差变频调速方法，具有如下步骤：

选用无刷双馈电机，该电机绕组具有两种不同的极数，其中，功率绕组Pp极数小于控制绕组Pc极数，符合关系式N＝60(fp+fc)/Pp+Pc；功率绕组的磁通密度Bp大于控制绕组的磁通密度Bc，符合关系式Temp/Temc≈Bp/Bc；

其中：fc表示变频器输出电源频率

fp表示电网电源频率

Temp表示功率绕组电磁转矩

Temc表示控制绕组电磁转矩

接通变频器电源，系统自检，变频装置2的变频器22电源端接低压电网电源，由变频装置的控制单元23对系统进行检测，符合启动无刷双馈电机1的控制绕组Pc之设定值时，由控制单元的显示器显示状态正常，令变频器启动驱动控制绕组Pc工作；

由控制单元23对系统进行检测，符合接通无刷双馈电机的功率绕组Pp启动之设定值时，由控制单元发出指令接通无刷双馈电机的功率绕组Pp输入电源， 使控制绕组Pc和功率绕组Pp共同运行，无刷双馈电机的功率绕组Pp端接高压电网电源；控制单元联接一计算机，处理来自控制单元的数据。

由控制单元23对变频器直流侧电压进行检测，超过设定值时，逆变回馈单元24开始工作，将直流侧能量逆变成交流工频送回电网；低于变频器直流侧电压设定值时，逆变回馈单元关闭。

所述的无刷双馈电机，可以是任何一种具有两种不同极数的绕组，尤其是该电机具有两套不同的极数的绕组；

一种引用前述高滑差变频调速方法的机构，包括，无刷双馈电机1和与电机联接的变频装置2，其中，

选无刷双馈电机1，定子上嵌有功率绕组Pp和控制绕组Pc，其中，两绕组极数不同，极数少的绕组作为功率绕组Pp，与高压电网电源连接；极数多的绕组作为控制绕组Pc，与变频装置相连接；

变频装置2由变频器22连接一逆变回馈单元24及无刷双馈电机控制单元23组成，一通用变频器22输入端子接入低电压电网电源，其输出端子联接无刷双馈电机的控制绕组Pc；前述逆变回馈单元直流端与变频器直流端端子同极性相连接，逆变回馈单元的输出端并联到变频器22输入端子低压电网端；无刷双馈电机的控制单元23以PLC为核心控制器件组成，该控制单元分别与变频器2、逆变回馈单元4、变频器输入电源端、Pc输入端及Pp输入端，通过控制测量单元联接。

本发明的设计思想：

针对风机、泵类负载的调速特点和工程惯例的分析：

风机、泵类输送物的工作流量Q∝N(转速的一次方)

风机、泵类输送物的工作压力H∝N²(转速的二次方)

风机、泵类工作所需的轴功率P∝N³(转速的三次方)

由此可见，速度很小的变化都可引起轴功率较大的变化，在满足实际需要流量和工作压力的情况下，风机、泵类调速运行会有显著的节能效果。

在实际的工程应用中，一般风机、泵类的额定工作转速都与普通异步电机的同步速相对应。如：

二极电机拖动的风机、泵类工作转速为2940～2980rpm；

四极电机拖动的风机、泵类工作转速为1460～1480rpm；

六极电机拖动的风机、泵类工作转速为940～980rpm；

八极电机拖动的风机、泵类工作转速为720～740rpm；

在工程设计时，常常按风机、泵类的额定工作转速选配相应功率的拖动电机，由于风机、泵类工作状态的变化，绝大多数场合要求其工作转速由额定转速向低调速。

因此，用于风机、泵类的无刷双馈电机在设计时其工作速度范围必须考虑到实际的工程惯例，其调速一般只要求从额定转速向低调速，一般向低调速30％左右即完全满足节能要求。

本发明以习知的电机理论为基础，将无刷双馈电机的功率绕组Pp和控制绕组Pc视为两个普通电机的特殊组合。

功率绕组Pp的磁通密度Bp和控制绕组Pc的磁通密度Bc的关系：

无刷双馈电机同步转速理论表达式为：

fc表示变频器输出电源频率

fp表示电网电源频率

事实上前述的表达式只有在功率绕组Pp的磁通密度Bp和控制绕组Pc的磁通密度Bc大小比例适当时才成立，而在调速过程中，控制绕组的磁通密度Bc是变化的，功率绕组和控制绕组的磁通密度Bp、Bc的比例大小也是变化的，因而N同步转速并不完全随工作频率fc变化而变化．其实际转速会低于或高于理论同步转速。

无刷双馈电机电磁转矩的关系：

对于功率绕组Pp：

$\mathrm{Temp}=\frac{Z_2}{4\sqrt{2}}\mathrm{Bp}{\mathrm{\α}}_p\mathrm{DilLef}{I}_{2p}\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_{2p}$

对于控制绕组Pc：

$\mathrm{Temc}=\frac{Z_2}{4\sqrt{2}}\mathrm{Bc}{\mathrm{\α}}_c\mathrm{DilLef}{I}_{2c}\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_{2c}$

由于α与αc差别不大，且I_2p＝I_2c，COSθ_2p≈COSθ_2c

则有：

$\frac{\mathrm{Temp}}{\mathrm{Temc}}\≈\frac{\mathrm{Bb}}{\mathrm{Bc}}$

其中：Temp表示功率绕组电磁转矩    Temc表示控制绕组电磁转矩

αp表示功率绕组设计系数           αc表示控制绕组计系数

Dil表示电机定子内径               Lef表示电机铁芯有效长度

Bp表示功率绕组磁密                Bc表示控制绕组磁密

fp表示功率绕组工作频率            fc表示控制绕组工作频率

I_2p表示功率绕组转子电流           I_2c表示控制绕组转子电流

COSθ_2p表示功率绕组转子功率因数

COSθ_2c表示控制绕组转子功率因数

Z₂表示电机转子槽数

因此，只要在对无刷双馈电机设计时，使功率绕组Bp＞控制绕组Bc，即可保证功率绕组Pp输入功率大于控制绕组Pc输入功率，以实现较小功率无刷双馈电机变频装置控制较大功率的电机输出功率。

无刷双馈电机高滑差变频调速状态下的电势平衡关系：

无刷双馈电机以高滑差变频调速方法运行时，其无刷双馈电机内部的电势平衡关系，引用习知电机电磁理论可以明确表达，其关系式不仅可以解释无刷双馈电机特殊的运行方式，还可以用来指导无刷双馈电机的电磁设计，

折算到转子侧的电势关系：

其中： 为功率绕组转子电势

为控制绕组转子电势

为功率绕组定子电势

为控制绕组定子电势

Sp、Sc分别为功率绕组和控制绕组转差率

Wp₂、Wc₂分别为功率绕组和控制绕组转子每相串联匝数

Kp₂、Kc₂分别为功率绕组和控制绕组转子绕组分布系数

Wp₁、Wc₁分别为功率绕组和控制绕组定子每相串联匝数

Kp₁、Kc₁分别为功率绕组和控制绕组定子绕组分布系数

无刷双馈电机在高滑差状态下变频调速运行时，实际上是功率绕组Pp处于高滑差状态运行，而控制绕组Pc处于超同步状态运行，其转子电势

是反方向的。因此，此时处于高滑差状态的功率绕组Pp转子电势

不仅要平衡自身的定子电势 $S_P{\stackrel{\·}{E}}_{1P}{W}_{P2}{K}_{P2}/W_{P1}{K}_{P1},$ 还要平衡控制绕组Pc定子电势 $S_C{\stackrel{\·}{E}}_{1C}{W}_{C2}{K}_{C2}/W_{C1}{K}_{C1}$ 和转子电势

本发明机构的接线方式：无刷双馈电机极数较少的绕组作为功率绕组Pp，与电网电源连接，电网电源频率fp一般为50Hz，功率绕组极数可以是2、4、6、8等；无刷双馈电机极数较多的绕组作为控制绕组Pc，与变频装置相连接，控制绕组极数可以是4、6、8、10、12等。二者的组合原则是：功率绕组Pp极数＜控制绕组Pc极数；定子两绕组同相序馈电。

以本发明方法工作时，无刷双馈电机通过控制绕组pc以变频装置启动，并可在某个转速范围工作，一般为功率绕组Pp同步转速的65％以下。

当无刷双馈电机需要较高转速范围工作，即为功率绕组Pp同步转速的65％以上时，可将功率绕组Pp接入电网电源，此时无刷双馈电机转速远离功率绕组Pp同步转速，且以较高的滑差Sp转速运转，最高直至接近功率绕组Pp同步转速。

本发明使用通用变频器22配置逆变回馈单元24及电机控制单元23组成的变频装置2，无刷双馈电机在较低转速范围工作时，将有部分来自功率绕组的滑差能量，超过控制绕组Pc需要后，通过逆变回馈单元返回到电网，其间回馈能量的多少是由控制单元调节的。

本发明最适合的领域是高压电机拖动的风机、泵类负载，其电机的调速范围控制在功率绕组同步转速的65％～100％。

总之，无刷双馈电机是一种新型电机，该电机定子上嵌有两种极对数不同的一套或两套绕组，转子设有与定子绕组极对数相同的一套或两套绕组或者为“特殊笼型”绕组结构。无刷双馈电机工作时，定子上一个绕组接电网电源，另一个绕组接变频装置，调节该变频装置的频率便可实现无刷双馈电机调速运行。定子两绕组间的功率分配取决于两绕组磁密(Bp、Bc)的大小。通常情况下，无刷双馈电机的电磁设计决定了两绕组磁密(Bp＞Bc)的分配关系，亦即两绕组间的功率分配比例。接变频装置的绕组称为控制绕组Pc，其功率小于与高压电网连接的功率绕组Pp。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，根据不同的应用场合，前述的两绕组的供电程序和接线方式以及变频器的控制方式，可以有所变化，它依然属于本发明的技术方案。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种高滑差变频调速方法，具有如下步骤：

--接通变频器电源，系统自检，变频装置(2)的变频器(22)电源端接低压电网电源，由变频装置的控制单元(23)对系统进行检测，符合启动无刷双馈电机(1)的控制绕组(Pc)之设定值时，令变频器驱动控制绕组(Pc)工作；

--由控制单元(23)对系统进行检测，符合接通无刷双馈电机的功率绕组启动之设定值时，由控制单元发出指令接通无刷双馈电机的功率绕组输入电源，使控制绕组(Pc)和功率绕组(Pp)共同运行，无刷双馈电机的功率绕组端接高压电网电源；控制单元联接一计算机，处理来自控制单元的数据。

--由控制单元(23)对变频器直流侧电压进行检测，超过设定值时，逆变回馈单元(24)开始工作，将直流侧能量逆变成交流工频送回电网；低于变频器直流侧电压设定值时，逆变回馈单元关闭。

2.如权利要求1所述的高滑差变频调速方法，其特征在于：所述的无刷双馈电机，该电机具有两种不同极数的绕组，功率绕组(Pp)极数小于控制绕组(Pc)极数，符合关系式N＝60(fp+fc)/Pp+Pc；功率绕组的磁通密度(Bp)大于控制绕组的磁通密度(Bc)，符合关系式Temp/Temc≈Bp/Bc；

其中：fc表示变频器输出电源频率

      fp表示电网电源频率

      Temp表示功率绕组电磁转矩

      Temc表示控制绕组电磁转矩

3.如权利要求1所述的高滑差变频调速方法，其特征在于：所述的无刷双馈电机，该电机具有两种不同极数的绕组，功率绕组(Pp)极数小于控制绕组(Pc)极数，符合关系式N＝60(fp+fc)/Pp+Pc；功率绕组的磁通密度(Bp)大于控制绕组的磁通密度(Bc)，符合关系式Temp/Temc≈Bp/Bc。

4.一种引用前述高滑差变频调速方法的机构，包括，无刷双馈电机(1)和与电机联接的变频装置(2)，其中，

一无刷双馈电机(1)，具有控制绕组(Pc)和功率绕组(Pp)，

一变频装置(2)，它由变频器(22)连接一逆变回馈单元(24)及无刷双馈电机控制单元(23)；

所述的变频器(22)输入端子接入低电压电网电源，其输出端子联接无刷双馈电机的控制绕组(Pc)；

所述的逆变回馈单元(24)的直流端与变频器直流端端子同极性相连接，其输出端并联到变频器(22)输入端子低压电网端；

无刷双馈电机的控制单元(23)分别与变频器(2)、逆变回馈单元(4)、变频器输入电源端、控制绕组(Pc)输入端及功率绕组(Pp)输入端，通过控制测量单元(未标示)联接，控制单元联接一计算机。

5.如权利要求4所述的机构，其特征在于：所述的控制测量单元(未标示)联接为传感器。

6.如权利要求4或5所述的机构，其特征在于：所述的无刷双馈电机绕组具有两种不同极数，极数少的绕组作为功率绕组(Pp)，与高压电网电源连接；极数多的绕组作为控制绕组(Pc)，与变频装置相连接。

7.如权利要求4或5所述的机构，其特征在于：所述的无刷双馈电机具有变极绕组，功率绕组(Pp)极数少，与高压电网电源连接；控制绕组(Pc)极数多，与变频装置相连接。

8.如权利要求4或5所述的机构，其特征在于：所述的无刷双馈电机绕组具有两套不同极数，极数少的绕组作为功率绕组(Pp)，与高压电网电源连接；极数多的绕组作为控制绕组(Pc)，与变频装置相连接。

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