專利名稱：轉(zhuǎn)子逆變器供電多三相繞線異步電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用逆變器給轉(zhuǎn)子繞組供電的繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)可用在冶金、煤礦、造紙及機(jī)械制造等工業(yè)部門用于驅(qū)動(dòng)軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、碾煤機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)組及其他通用機(jī)械，常規(guī)繞線式電動(dòng)機(jī)調(diào)速一般采用串電阻調(diào)速，或者串級(jí)調(diào)速方式，該類調(diào)速方式都屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，調(diào)速范圍一般都比較小。如果繞線式電動(dòng)機(jī)采用定子側(cè)調(diào)速，則變頻器的功率必須大于電動(dòng)機(jī)的功率，特別大功率繞線式電動(dòng)機(jī)往往是高壓電機(jī)，其變頻器也需要采用高壓變頻器，成本比較高。如果采用轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行變頻調(diào)速，特別是在額定點(diǎn)附近進(jìn)行小范圍調(diào)速時(shí)，可以采用低壓和小功率的三相逆變器對(duì)于高壓繞線電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。但是，對(duì)于常規(guī)三相繞線式電動(dòng)機(jī)，即使進(jìn)行額定點(diǎn)附近的小范圍調(diào)速，其主要降低的電參數(shù)主要是轉(zhuǎn)子繞組的工作電壓，其電壓值比繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)子開路電壓，降低很多。其工作電流值仍然相當(dāng)于轉(zhuǎn)子短接時(shí)的額定電流值。這個(gè)數(shù)值一般要超過單個(gè)低壓IGBT的額定電流值，因此，常規(guī)三相系統(tǒng)一般采用低壓IGBT并聯(lián)方案來解決轉(zhuǎn)子的大電流控制問題。這樣就會(huì)引起逆變器的可靠性降低和功率模塊的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的均流問題，同時(shí)逆變器的功率器件的利用率在并聯(lián)的狀態(tài)下會(huì)比較差。因此采用多三相系統(tǒng)，可以降低單個(gè)逆變器對(duì)于功率模塊的參數(shù)極限的要求，避免功率開關(guān)器件的并聯(lián)問題，同時(shí)，采用多滑環(huán)多電刷系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種采用逆變器給轉(zhuǎn)子繞組供電的繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)的定子繞組為三相，直接連接在工頻電網(wǎng)上，而其轉(zhuǎn)子繞組具有多組在電路上獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組，這些對(duì)稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關(guān)系，沒有電路上的直接聯(lián)系，對(duì)于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨(dú)立中性點(diǎn)，并且這些中性點(diǎn)在電路上互相隔離。繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組總的相數(shù)具有3的倍數(shù)特征，即該電動(dòng)機(jī)繞線轉(zhuǎn)子的總相數(shù)為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4...，n為大于2的正整數(shù))。對(duì)于多三相電動(dòng)機(jī)的繞線轉(zhuǎn)子上有n個(gè)獨(dú)立三相繞組，其相鄰兩個(gè)三相繞組在空間的位移電角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。其結(jié)構(gòu)含義是當(dāng)β＝0時(shí)，轉(zhuǎn)子多三相繞組的獨(dú)立三相繞組之間沒有相位差，轉(zhuǎn)子多三相繞組的獨(dú)立三相之間的偏移角度可以采用非均勻分布角度結(jié)構(gòu)，即根據(jù)繞組的排列，可以將轉(zhuǎn)子多三相繞組分為若干個(gè)組合，同組合的獨(dú)立三相之間的偏移角度為零，這樣在一定條件下可以將多三相繞組等效為三相繞組或六相繞組，避免某些分?jǐn)?shù)槽排列所產(chǎn)生的次諧波或偶次諧波。
對(duì)于具有獨(dú)立中點(diǎn)的繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的示意圖參見說明書附圖1。在附圖中，電流的方向遵循電動(dòng)機(jī)法則。
轉(zhuǎn)子采用多個(gè)星形繞組連接的多相逆變器供電的繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)需要采用多個(gè)星形三相繞組的協(xié)同控制和存在互感耦合的解耦控制問題。因此轉(zhuǎn)子采用多個(gè)星形繞組連接的繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的控制十分復(fù)雜。但是，采用多相逆變器供電的繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子有多個(gè)星形繞組連接，其繞組的連接方法更加靈活，可以采用多個(gè)星形中點(diǎn)，其多個(gè)星形中點(diǎn)在電路上是互相獨(dú)立的。采用了多三相繞組結(jié)構(gòu)，可以有效的降低每一相的電壓和電流的額定值，對(duì)于功率半導(dǎo)體器件的物理參數(shù)極限的要求可以降低，同時(shí)克服了傳統(tǒng)多相電機(jī)星形接法所有的繞組都必須連接到一個(gè)中點(diǎn)上，中點(diǎn)的電流很大，發(fā)熱和局部電流不平衡的問題較為嚴(yán)重的問題。繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的控制算法標(biāo)準(zhǔn)化程度高，其基本的被控制單元是轉(zhuǎn)子每一個(gè)獨(dú)立的三相繞組，轉(zhuǎn)子所有的獨(dú)立的三相繞組的控制算法都相同。從電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的角度而言，無論是三相繞組、多相繞組、多三相繞組都可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
首先分析一種轉(zhuǎn)子具有多三相繞組的交流勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子多三相繞組異步電機(jī)顧名思義，就是轉(zhuǎn)子具有多個(gè)獨(dú)立三相的繞線異步電動(dòng)機(jī)，其幾何的特征是異步電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子的繞組的內(nèi)部具有多個(gè)獨(dú)立中性點(diǎn)的Y接三相繞組，其每一個(gè)獨(dú)立三相繞組內(nèi)部，幾何關(guān)系與常規(guī)三相繞組完全相同，每相之間的相位差均為對(duì)稱120°，相鄰的三相繞組之間，其對(duì)應(yīng)相的相位差是π/(n×3)、或者0≤β＜π/(n×3)。其多三相的每一組獨(dú)立三相的相鄰繞組對(duì)應(yīng)的相位差的選取原則主要是①消除特定次諧波；②便于繞組在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的空間排布。如果對(duì)于以消除空間高次諧波作為繞組相位差主要確定因素時(shí)，相位差等于π/(n×3)時(shí)，消除空間高次諧波的范圍比較寬。為了便于分析起見，本發(fā)明中，分別討論多個(gè)獨(dú)立的星形接法三相繞組所組成的具有轉(zhuǎn)子多三相繞組系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)①采用本發(fā)明后可以有效地提高從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸出和輸入的功率，傳統(tǒng)的三相交流電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子側(cè)只有一組三相逆變器，其單個(gè)逆變器通過的功率受到限制，由于大功率的繞線電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子的電流值往往超過常規(guī)的單個(gè)IGBT的容量，因此采用三相系統(tǒng)，在繞線電機(jī)功率比較大時(shí)，一個(gè)三相橋臂往往需要多個(gè)IGBT模塊的并聯(lián)使用，這樣會(huì)引起功率模塊的降低額定值使用和引起復(fù)雜的均流問題，而多三相逆變器系統(tǒng)則采用多相系統(tǒng)，每一相的電流額定值有所降低，一般不需要IGBT功率模塊并聯(lián)，這樣就提高了IGBT模塊的利用率。②采用本發(fā)明后，多三相繞線電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與傳統(tǒng)三相系統(tǒng)相比的可靠性提高。由于采用多組獨(dú)立三相系統(tǒng)運(yùn)行方式，當(dāng)某一相繞組發(fā)生故障時(shí)，可以退出運(yùn)行，而其他獨(dú)立三相系統(tǒng)仍然可以保持正常運(yùn)行狀態(tài)。這樣，系統(tǒng)的運(yùn)行的可靠性得到了有效的提高。③采用本系統(tǒng)后，滑環(huán)和電刷系統(tǒng)功率得到了分散，其接觸點(diǎn)的發(fā)熱問題可以得到有效的解決。④采用本發(fā)明后電機(jī)的空間繞組諧波可以得到有效的削弱，可以有效的改善電機(jī)的定子的電勢(shì)波形。
繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)合成磁勢(shì)我們首先對(duì)于多三相繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子基波合成磁勢(shì)的性質(zhì)進(jìn)行理論分析。
假定該原型電機(jī)轉(zhuǎn)子有m＝n×3相繞組，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)3相、6相雙Y，9相3Y，12相4Y，....，n＝1，2，3，4，...；在每一個(gè)三相繞組內(nèi)部有電的聯(lián)接，而獨(dú)立三相繞組之間沒有電氣連接只有磁場(chǎng)的聯(lián)系。
首先分析，多三相電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)建立過程，假定轉(zhuǎn)子側(cè)某一個(gè)獨(dú)立三相的激勵(lì)電源的基波電流具有以下的數(shù)學(xué)表達(dá)式iak=2Icos(ωt-kπm)ibk=2Icos(ωt-kπm-2π3)ick=2Icos(ωt-kπm+2π3)---(1)]]>某一個(gè)轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相繞組的磁勢(shì)幅值是Fφ，交流電的角頻率是ω，在氣隙表面的某一點(diǎn)其坐標(biāo)為x，則交流電流在該轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相的內(nèi)部各相產(chǎn)生的脈振磁勢(shì)的表達(dá)式為fak(x,t)=Fφ1cos(x-kπm)cos(ωt-kπm);k=0,1,2,....n-1---(2)]]>fbk(x,t)=Fφ1cos(x-kπm-2π3)cos(ωt-kπm-2π3);---(3)]]>fck(x,t)=Fφ1cos(x-kπm+2π3)cos(ωt-kπm+2π3);---(4)]]>
注意公式中的Fφ1的定義與公式(2)中的定義相同。
則多三相繞組的轉(zhuǎn)子基波總合成磁勢(shì)為每一個(gè)轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相的總磁勢(shì)疊加，即把公式(2)、(3)、(4)相加，然后再將每一個(gè)轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相的磁勢(shì)進(jìn)行總的求和運(yùn)算，具有下列的表達(dá)方式f(x,t)=Σ0n-1[fak(x,t)+fbk(x,t)+fck(x,t)]---(5)]]>可以從數(shù)學(xué)上證明公式(5)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為f(x,t)=3·n2Fφ1cos(x-ωt)=m2Fφcos(x-ωt)---(6)]]>顯然在依靠合適的激勵(lì)電源后，新型多三相電機(jī)的合成磁勢(shì)與傳統(tǒng)多相電動(dòng)機(jī)的基波合成磁勢(shì)在形式上完全相同，均為幅值為 旋轉(zhuǎn)角速度為ω的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)波。
可以證明，多三相繞線異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子空間諧波合成磁勢(shì)與傳統(tǒng)多相電機(jī)的轉(zhuǎn)子空間諧波合成磁勢(shì)有相同的變化規(guī)律。其證明步驟如下，仍然假定某一個(gè)獨(dú)立三相的激勵(lì)電源的基波電流具有公式(1)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
某一個(gè)轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相繞組的v次諧波的脈振磁勢(shì)幅值是Fv，交流電的角頻率是ω，在氣隙表面的某一點(diǎn)其坐標(biāo)為x，則交流電流在該轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相的內(nèi)部各相產(chǎn)生的v次空間諧波的脈振磁勢(shì)的表達(dá)式為fvak(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm)]cos(ωt-kπm);k=0,1,2,....n-1---(7)]]>fvbk(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm-2π3)]cos(ωt-kπm-2π3);---(8)]]>fvck(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm+2π3)]cos(ωt-kπm+2π3);---(9)]]>其中，F(xiàn)φv=22πIwvpkwv]]>則多三相繞組的v次諧波總合成磁勢(shì)為每一個(gè)獨(dú)立三相的v次諧波合成磁勢(shì)疊加，即把公式(7)、(8)、(9)相加，然后再將每一個(gè)獨(dú)立三相的v次諧波合成磁勢(shì)進(jìn)行總的求和運(yùn)算，具有下列的表達(dá)方式fv(x,t)=Σ0n-1[fvak(x,t)+fvbk(x,t)+fvck(x,t)]---(10)]]>可以從數(shù)學(xué)上證明公式(14)的諧波次數(shù)也可以同樣表示為v＝2k(3×n)±1＝2km±1，假定n＝4；m＝3×n＝12，則除了基波之外，其最低次數(shù)的諧波為-23次反轉(zhuǎn)諧波和+25次正轉(zhuǎn)諧波，即諧波次數(shù)低于23次的諧波幅值也為零。
因此，新型繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)與傳統(tǒng)多相異步電機(jī)的基波合成磁勢(shì)在形式上完全相同，在相同的相電流的有效值激勵(lì)下，其磁勢(shì)的均為幅值為 旋轉(zhuǎn)角速度為ω的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)波。同時(shí)，其削弱高次空間諧波的能力也與傳統(tǒng)多相電動(dòng)機(jī)相同。因此，采用繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)比三相電動(dòng)機(jī)具有更低的繞組諧波影響。繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)定子合成磁勢(shì)的同步速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子多三相合成磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速以及電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速具有以下關(guān)系ωstator＝ωslip+ωm(11)其中ωstator是定子合成磁場(chǎng)的同步角速度；ωslip是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差角速度，在這里ωslip＝ω，也是逆變器電源的頻率；ωm是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度因此，從公式(11)可以看出，當(dāng)定子側(cè)電源的頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)保持不變時(shí)，即ωstator是定子合成磁場(chǎng)的同步角速度不變時(shí)，改變轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器交流勵(lì)磁電源的角速度ωslip即可調(diào)節(jié)電機(jī)的機(jī)械角速度ωm。從公式(11)還可以看出，當(dāng)ω為負(fù)值時(shí)，電機(jī)的機(jī)械角速度ωm高于同步角速度ωstator；當(dāng)ω為正值時(shí)，電機(jī)機(jī)械角轉(zhuǎn)速ωm低于同步角轉(zhuǎn)速ωstator。因此根據(jù)上面的分析，在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速超過電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)。在電網(wǎng)向電機(jī)的定子三相繞組供電的同時(shí)，電網(wǎng)通過逆變器的獨(dú)立三相單元以交-直-交工作方式向轉(zhuǎn)子的每一組獨(dú)立三相繞組供電。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子控制方式可以采用比較小的轉(zhuǎn)子頻率調(diào)節(jié)值得到比較寬的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，如f＝±5Hz時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍可達(dá)10％。同時(shí)，根據(jù)電機(jī)理論，改變交流勵(lì)磁電流的幅值、相位和相序，還可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率角，即可調(diào)節(jié)定子側(cè)的無功功率，從而改變功率因數(shù)的大小。
繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的逆變器電源特點(diǎn)由于繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的繞組的特殊結(jié)構(gòu)，其逆變器電源也必須具有特定的結(jié)構(gòu)并按照一定的規(guī)律運(yùn)行。首先逆變器包括的獨(dú)立三相激勵(lì)電源的數(shù)目必須與轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相繞組的個(gè)數(shù)相同，即獨(dú)立三相電源的數(shù)目也必須等于n。其次當(dāng)逆變器采用正弦激勵(lì)時(shí)，其每一個(gè)獨(dú)立三相的基波電流表達(dá)式應(yīng)當(dāng)符合式(1)，逆變器每一組獨(dú)立電源的三相之間相位差是120電角度，相鄰的獨(dú)立電源之間的相位差是π/(3×n)或者與繞組的空間實(shí)際分布角度相同，其每一相電流的幅值應(yīng)當(dāng)相等。當(dāng)采用逆變器供電時(shí)，每一組獨(dú)立三相電源是一個(gè)三相橋式逆變器。逆變器電源的拓?fù)涫疽鈭D可以參見說明書附圖3。激勵(lì)電流的標(biāo)么值和其波形的相位差參見說明書附圖4。采用與繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接有旋轉(zhuǎn)編碼器或者該電機(jī)采用其他能夠反映異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度的傳感器來實(shí)時(shí)測(cè)量繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度和速度，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度是做為同步信號(hào)給多三相逆變器的控制系統(tǒng)，做為逆變器電源的電壓、電流同步基準(zhǔn)信號(hào)。該逆變器采用一種適合于繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的控制算法，使得繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)每一組獨(dú)立三相繞組都可以作為一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象進(jìn)行控制。該方法實(shí)質(zhì)上是一種根據(jù)繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)位置進(jìn)行定向的矢量控制方法。其根據(jù)電機(jī)的每一組獨(dú)立三相繞組在空間的實(shí)際位置，進(jìn)行電壓控制脈沖的角度分配。根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度和實(shí)際的速度、電流測(cè)量值、功率因數(shù)與對(duì)應(yīng)的給定值進(jìn)行運(yùn)算，從而得出控制轉(zhuǎn)子電壓模值和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流模值的大小。該方法采用一種解耦控制方法使得電機(jī)的電機(jī)繞組之間的互感所引起的耦合電壓，由于電感乘積比例因子的引入，通過一系列的乘加運(yùn)算，可以對(duì)轉(zhuǎn)子獨(dú)立三相繞組之間由于磁路耦合所產(chǎn)生的互感電壓進(jìn)行有效的解耦運(yùn)算，使得繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子每一組獨(dú)立三相繞組得到的等效d軸、q軸輸出電壓給定值僅與各自的轉(zhuǎn)子宏電流相關(guān)，而轉(zhuǎn)子宏電流在形式上是獨(dú)立的和解耦的。這樣使得轉(zhuǎn)子多三相系統(tǒng)可以等效為若干個(gè)獨(dú)立的三相系統(tǒng)進(jìn)行分析。
在轉(zhuǎn)子軸的一端裝設(shè)多組獨(dú)立的多三相滑環(huán)和電刷裝置引出轉(zhuǎn)子電壓和電流與多三相逆變器相連接，采用多組軸向或徑向式組合滑環(huán)和電刷結(jié)構(gòu)，多三相滑環(huán)和電刷裝置采用獨(dú)立強(qiáng)迫風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。對(duì)于傳統(tǒng)三相交流勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的每一相的轉(zhuǎn)子電流達(dá)到幾百安培甚至超過一千安培以上，其單個(gè)滑環(huán)和電刷組的電流密度和發(fā)熱情況比較嚴(yán)重，因此，在電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，廣泛采用的是多滑環(huán)電刷裝置即滑環(huán)和電刷的組數(shù)要等于和多于電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)，以減少每組滑環(huán)和電刷所通過的電流，以達(dá)到分散每組滑環(huán)和電刷通過的功率。而多三相系統(tǒng)由于電機(jī)的相數(shù)是三相的倍數(shù)，因此，滑環(huán)和電刷裝置本身已經(jīng)分散了功率，每組滑環(huán)和電刷所通過的電流比常規(guī)三相系統(tǒng)要小得多，當(dāng)某組滑環(huán)和電刷出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的影響也比較小。但是，滑環(huán)和電刷數(shù)量的增加也不可避免的帶來結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和該部分體積的增大。因此，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)容量的大小可以采用不同類型的多三相滑環(huán)和電刷結(jié)構(gòu)。對(duì)于中小容量繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)可以采用常規(guī)的軸向式多三相滑環(huán)和電刷結(jié)構(gòu)，即每一組獨(dú)立三相滑環(huán)和電刷采用軸向方式向上排列，其結(jié)構(gòu)圖參見圖。當(dāng)繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)容量很大也可以采用徑向盤式滑環(huán)和電刷系統(tǒng)。采用多三相滑環(huán)和電刷由于滑環(huán)和電刷的組數(shù)比較多，其摩擦產(chǎn)生的石墨和金屬粉末比較多，需要采用獨(dú)立的強(qiáng)迫風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)和除塵裝置，其轉(zhuǎn)子滑環(huán)結(jié)構(gòu)參見圖4。
多三相滑環(huán)和電刷裝置中，裝設(shè)有多三相電刷舉刷短接裝置，當(dāng)逆變器系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，該裝置可將轉(zhuǎn)子多三相繞組短接。成為定子單邊勵(lì)磁的異步電機(jī)工作模式，在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，該電機(jī)成為電網(wǎng)直接勵(lì)磁的異步電動(dòng)機(jī)。
繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)由于其轉(zhuǎn)子繞組采用多三相繞組，該電機(jī)的相數(shù)比較多，同時(shí)，電機(jī)的速度不高，極對(duì)數(shù)比較多，根據(jù)情況可以采用整數(shù)槽或分?jǐn)?shù)槽繞組，分?jǐn)?shù)槽由于具有消除電機(jī)磁勢(shì)中齒諧波的功能，在多三相的電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用更加普遍，可以采用分?jǐn)?shù)槽的疊繞組或波繞組。但是，采用多三相分相結(jié)構(gòu)的分?jǐn)?shù)槽雙層波繞組有其特殊的繞組排列結(jié)構(gòu)，由于電機(jī)的相數(shù)很多，每相的繞組一般劃分為正負(fù)相帶，同時(shí)，多三相內(nèi)部必須保持120°的對(duì)稱繞組，同時(shí)，每相鄰的獨(dú)立三相繞組之間的位置的差別角度為360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。因此，對(duì)于多三相電機(jī)的每極每相槽數(shù)q往往有q≤1。因此，在這種情況下保證分?jǐn)?shù)槽繞組的對(duì)稱性是非常重要的，這里采用了一種特殊的多三相繞組的分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，可以保證電機(jī)的繞組在每極每相槽數(shù)q比較小的情況下，電機(jī)的繞組可以對(duì)稱分布。由于采用了一種新的分?jǐn)?shù)槽或整數(shù)槽分相方法，即在不同的極對(duì)數(shù)下，通過交替首尾對(duì)偶改變輪換數(shù)的繞組結(jié)構(gòu)，從而獲得對(duì)稱分?jǐn)?shù)槽或整數(shù)槽的一種新排列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對(duì)于q≤1和分?jǐn)?shù)槽繞組的輪換數(shù)d小于電機(jī)的相數(shù)m情況，可以更加容易獲得多三相對(duì)稱的繞組結(jié)構(gòu)。
繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)多三相滑環(huán)和多三相電刷裝置安裝在電機(jī)的上部主軸承端的外端，由于采用多組獨(dú)立的三相滑環(huán)和三相電刷裝置，該電機(jī)在軸向的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)。因此，其滑環(huán)和電刷組必須安裝在電機(jī)的上部主軸承端的外端，以保證滑環(huán)和電刷組的安裝空間。
繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)非傳動(dòng)端同軸聯(lián)接有旋轉(zhuǎn)編碼器或者該電機(jī)采用其他能夠反映電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子位置和速度的傳感器來實(shí)時(shí)測(cè)量繞線轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度和速度。
圖1轉(zhuǎn)子多三相繞線電動(dòng)機(jī)；圖2轉(zhuǎn)子多三相繞線異步電動(dòng)機(jī)繞組連接示意圖；圖3轉(zhuǎn)子多三相繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子逆變器勵(lì)磁示意圖；圖4轉(zhuǎn)子多三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電流波形圖；圖5轉(zhuǎn)子多三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸與滑環(huán)位置圖；圖6轉(zhuǎn)子多三相異步電動(dòng)機(jī)第一、二組獨(dú)立三相轉(zhuǎn)子波繞組連接圖轉(zhuǎn)子波繞組連接圖；圖7轉(zhuǎn)子多三相異步電動(dòng)機(jī)第三、四組獨(dú)立三相轉(zhuǎn)子波繞組連接圖。
具體實(shí)施例方式說明書附圖6-7是轉(zhuǎn)子多三相電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例。該電機(jī)的功率為2000kW、定子電壓6KV、電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為495rpm。該電動(dòng)機(jī)的定子繞組為三相，直接連接在工頻電網(wǎng)上，而其轉(zhuǎn)子繞組具有多組在電路上獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組。其電機(jī)轉(zhuǎn)子波繞組結(jié)構(gòu)見圖5。在轉(zhuǎn)子多三相系統(tǒng)中，采用了4×3相轉(zhuǎn)子繞組的繞組連接圖，繞組采用整數(shù)槽。從繞組連接圖上可以看出，4×3相系統(tǒng)中包括了4組三相對(duì)稱繞組，本實(shí)施例中，繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的定子槽數(shù)Z＝144，磁極數(shù)2p＝12，每極每相槽數(shù)q＝1，極距τ＝12，由于多相電機(jī)功率一般較大采用雙層繞組比較普遍。繞組節(jié)距可以采用整距繞組y1＝τ，也可以采用短距繞組y1=56τ=10]]>(槽)，合成節(jié)距為y＝24(槽)。相鄰槽間的電角度為α＝15°，相鄰獨(dú)立三相繞組之間的空間電角度是180°/(4×3)＝15°。繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相繞組的首端分別標(biāo)記為A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4；末端標(biāo)記為X1、X2、X3、X4，Y1、Y2、Y3、Y4，Z1、Z2、Z3、Z4。與標(biāo)準(zhǔn)三相電動(dòng)機(jī)類似，繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)的繞組可以串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接，串并聯(lián)的規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)三相電動(dòng)機(jī)相同。繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)可以連接成為4個(gè)星形接法，當(dāng)連接為星形接法時(shí)，有4個(gè)獨(dú)立中點(diǎn)，可以采用內(nèi)部連接方式，以減少外部接線。顯然，繞線轉(zhuǎn)子多三相逆變器供電異步電動(dòng)機(jī)由于采用分散中點(diǎn)或無中點(diǎn)方式，在繞組可靠性方面要優(yōu)于傳統(tǒng)的三相交流勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)圖5～圖7，可以分析出轉(zhuǎn)子整數(shù)槽或分?jǐn)?shù)槽繞組采用波繞組的空間電角度的幾何關(guān)系，首先假定有邊框?yàn)樘摼€的槽號(hào)是處于極性為N的磁極下，無虛線的槽號(hào)是處于極性為S的磁極下。從圖中可以看出，波繞組的連接方法是首先將同極性的所有線圈都串聯(lián)起來。因此，同極性對(duì)應(yīng)繞組相差36槽，即360°電角度；同一相的波繞組是將S極性下的線圈組與N磁極下的線圈根據(jù)電流的實(shí)際方向可以采用“頭接尾、尾接頭”或者“頭接尾、尾接頭”的方式順序或逆序串聯(lián)。每一個(gè)獨(dú)立三相內(nèi)部的A；B；C相差8個(gè)槽120°電角度；獨(dú)立三相繞組之間其對(duì)應(yīng)相相差的槽數(shù)，其中有兩個(gè)對(duì)應(yīng)相繞組的相差是1槽，其電角度是15°；該電機(jī)的線圈排列是對(duì)稱的每相繞組共有12個(gè)線圈，其中有個(gè)6線圈處于正相帶，另外6個(gè)處于負(fù)相帶；轉(zhuǎn)子線圈采用星形連接方式。考慮到轉(zhuǎn)子繞組的機(jī)械平衡問題，所有的轉(zhuǎn)子出線盡可能采用機(jī)械對(duì)稱的出線方式，如果不對(duì)稱，可以采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修正。其出線的槽號(hào)見表1表1轉(zhuǎn)子的對(duì)稱出線端
圖5～圖7中的連接圖可以認(rèn)為是循環(huán)排列的，其中的頭部是表1中所列寫的出線端的槽號(hào)?？梢圆捎梅?jǐn)?shù)槽，也可以采用整數(shù)槽。
權(quán)利要求
1.一種繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，其特征在于a、轉(zhuǎn)子繞組具有多組在電路上獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組，這些對(duì)稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關(guān)系，沒有電路上的直接聯(lián)系，對(duì)于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨(dú)立中性點(diǎn)，并且這些中性點(diǎn)在電路上互相隔離；對(duì)于每一組采用三角形連接的三相繞組而言，這些三相繞組在電路也是上互相隔離的，多三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組總的相數(shù)具有3的倍數(shù)特征，即該電動(dòng)機(jī)繞線轉(zhuǎn)子的總相數(shù)為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4…，n為大于2的正整數(shù))；b、對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子上n個(gè)獨(dú)立三相繞組，其相鄰兩個(gè)三相繞組在空間的位移電角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器供電的多三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，其特征在于該電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由多三相逆變器供電的，所謂多三相逆變器是指逆變器的總相數(shù)也具有3的倍數(shù)特征，并且多三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子總相數(shù)與多三相逆變器的總相數(shù)相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，2所述的逆變器供電的多三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子多三相繞組的結(jié)構(gòu)為分?jǐn)?shù)槽或整數(shù)槽雙層波繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器供電的多三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，其特征在于電機(jī)同軸聯(lián)接有旋轉(zhuǎn)編碼器或者該電機(jī)采用其他能夠反映電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子位置和速度的傳感器來實(shí)時(shí)測(cè)量繞線轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度和速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用逆變器給轉(zhuǎn)子繞組供電的轉(zhuǎn)子多三相電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)的定子繞組為三相，連接在電網(wǎng)上，而其轉(zhuǎn)子繞組具有多組在電路上獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組，這些對(duì)稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關(guān)系，沒有電路上的直接聯(lián)系，對(duì)于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨(dú)立中性點(diǎn)，對(duì)于每一組采用角形連接的三相繞組，繞組也是獨(dú)立的。轉(zhuǎn)子多三相繞線異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組總的相數(shù)具有3的倍數(shù)特征，即該電動(dòng)機(jī)繞線轉(zhuǎn)子的總相數(shù)為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相。其相鄰兩個(gè)三相繞組在空間的位移電角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。
文檔編號(hào)H02K17/12GK1705204SQ20041001030
公開日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月31日
發(fā)明者王曉雷 申請(qǐng)人:中原工學(xué)院