专利名称：转子逆变器供电多三相绕线异步电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用逆变器给转子绕组供电的绕线转子多三相逆变器供电异步电动机。
背景技术：
三相绕线式异步电动机可用在冶金、煤矿、造纸及机械制造等工业部门用于驱动轧钢机、卷扬机、水泵、风机、碾煤机、电动/发电机组及其他通用机械，常规绕线式电动机调速一般采用串电阻调速，或者串级调速方式，该类调速方式都属于改变转差率调速，调速范围一般都比较小。如果绕线式电动机采用定子侧调速，则变频器的功率必须大于电动机的功率，特别大功率绕线式电动机往往是高压电机，其变频器也需要采用高压变频器，成本比较高。如果采用转子侧进行变频调速，特别是在额定点附近进行小范围调速时，可以采用低压和小功率的三相逆变器对于高压绕线电机进行调速。但是，对于常规三相绕线式电动机，即使进行额定点附近的小范围调速，其主要降低的电参数主要是转子绕组的工作电压，其电压值比绕线电机的转子开路电压，降低很多。其工作电流值仍然相当于转子短接时的额定电流值。这个数值一般要超过单个低压IGBT的额定电流值，因此，常规三相系统一般采用低压IGBT并联方案来解决转子的大电流控制问题。这样就会引起逆变器的可靠性降低和功率模块的静态与动态的均流问题，同时逆变器的功率器件的利用率在并联的状态下会比较差。因此采用多三相系统，可以降低单个逆变器对于功率模块的参数极限的要求，避免功率开关器件的并联问题，同时，采用多滑环多电刷系统，有利于提高系统的可靠性。
发明内容
本发明涉及一种采用逆变器给转子绕组供电的绕线转子多三相逆变器供电异步电动机，该电动机的定子绕组为三相，直接连接在工频电网上，而其转子绕组具有多组在电路上独立的三相对称绕组，这些对称三相绕组的组与组之间仅有磁路的互相耦合关系，没有电路上的直接联系，对于每一组采用星形连接的三相绕组，都具有各自的独立中性点，并且这些中性点在电路上互相隔离。绕线转子多三相逆变器供电异步电动机转子绕组总的相数具有3的倍数特征，即该电动机绕线转子的总相数为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为大于2的正整数)。对于多三相电动机的绕线转子上有n个独立三相绕组，其相邻两个三相绕组在空间的位移电角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。其结构含义是当β＝0时，转子多三相绕组的独立三相绕组之间没有相位差，转子多三相绕组的独立三相之间的偏移角度可以采用非均匀分布角度结构，即根据绕组的排列，可以将转子多三相绕组分为若干个组合，同组合的独立三相之间的偏移角度为零，这样在一定条件下可以将多三相绕组等效为三相绕组或六相绕组，避免某些分数槽排列所产生的次谐波或偶次谐波。
对于具有独立中点的绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的示意图参见说明书附图1。在附图中，电流的方向遵循电动机法则。
转子采用多个星形绕组连接的多相逆变器供电的绕线转子多三相逆变器供电异步电动机需要采用多个星形三相绕组的协同控制和存在互感耦合的解耦控制问题。因此转子采用多个星形绕组连接的绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的控制十分复杂。但是，采用多相逆变器供电的绕线转子多三相逆变器供电异步电动机由于转子有多个星形绕组连接，其绕组的连接方法更加灵活，可以采用多个星形中点，其多个星形中点在电路上是互相独立的。采用了多三相绕组结构，可以有效的降低每一相的电压和电流的额定值，对于功率半导体器件的物理参数极限的要求可以降低，同时克服了传统多相电机星形接法所有的绕组都必须连接到一个中点上，中点的电流很大，发热和局部电流不平衡的问题较为严重的问题。绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的控制算法标准化程度高，其基本的被控制单元是转子每一个独立的三相绕组，转子所有的独立的三相绕组的控制算法都相同。从电机旋转磁场产生的角度而言，无论是三相绕组、多相绕组、多三相绕组都可以产生旋转磁场。
首先分析一种转子具有多三相绕组的交流励磁电动机。转子多三相绕组异步电机顾名思义，就是转子具有多个独立三相的绕线异步电动机，其几何的特征是异步电机绕线转子的绕组的内部具有多个独立中性点的Y接三相绕组，其每一个独立三相绕组内部，几何关系与常规三相绕组完全相同，每相之间的相位差均为对称120°，相邻的三相绕组之间，其对应相的相位差是π/(n×3)、或者0≤β＜π/(n×3)。其多三相的每一组独立三相的相邻绕组对应的相位差的选取原则主要是①消除特定次谐波；②便于绕组在电机转子内的空间排布。如果对于以消除空间高次谐波作为绕组相位差主要确定因素时，相位差等于π/(n×3)时，消除空间高次谐波的范围比较宽。为了便于分析起见，本发明中，分别讨论多个独立的星形接法三相绕组所组成的具有转子多三相绕组系统。
本发明的优点①采用本发明后可以有效地提高从电动机转子侧输出和输入的功率，传统的三相交流电动机由于转子侧只有一组三相逆变器，其单个逆变器通过的功率受到限制，由于大功率的绕线电动机，其转子的电流值往往超过常规的单个IGBT的容量，因此采用三相系统，在绕线电机功率比较大时，一个三相桥臂往往需要多个IGBT模块的并联使用，这样会引起功率模块的降低额定值使用和引起复杂的均流问题，而多三相逆变器系统则采用多相系统，每一相的电流额定值有所降低，一般不需要IGBT功率模块并联，这样就提高了IGBT模块的利用率。②采用本发明后，多三相绕线电动机系统与传统三相系统相比的可靠性提高。由于采用多组独立三相系统运行方式，当某一相绕组发生故障时，可以退出运行，而其他独立三相系统仍然可以保持正常运行状态。这样，系统的运行的可靠性得到了有效的提高。③采用本系统后，滑环和电刷系统功率得到了分散，其接触点的发热问题可以得到有效的解决。④采用本发明后电机的空间绕组谐波可以得到有效的削弱，可以有效的改善电机的定子的电势波形。
绕线转子多三相逆变器供电异步电动机合成磁势我们首先对于多三相绕线转子异步电机的转子基波合成磁势的性质进行理论分析。
假定该原型电机转子有m＝n×3相绕组，对于标准3相、6相双Y，9相3Y，12相4Y，....，n＝1，2，3，4，...；在每一个三相绕组内部有电的联接，而独立三相绕组之间没有电气连接只有磁场的联系。
首先分析，多三相电机的转子旋转磁势建立过程，假定转子侧某一个独立三相的激励电源的基波电流具有以下的数学表达式iak=2Icos(ωt-kπm)ibk=2Icos(ωt-kπm-2π3)ick=2Icos(ωt-kπm+2π3)---(1)]]>某一个转子独立三相绕组的磁势幅值是Fφ，交流电的角频率是ω，在气隙表面的某一点其坐标为x，则交流电流在该转子独立三相的内部各相产生的脉振磁势的表达式为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的定义与公式(2)中的定义相同。
则多三相绕组的转子基波总合成磁势为每一个转子独立三相的总磁势叠加，即把公式(2)、(3)、(4)相加，然后再将每一个转子独立三相的磁势进行总的求和运算，具有下列的表达方式f(x,t)=Σ0n-1[fak(x,t)+fbk(x,t)+fck(x,t)]---(5)]]>可以从数学上证明公式(5)可以进一步简化为f(x,t)=3·n2Fφ1cos(x-ωt)=m2Fφcos(x-ωt)---(6)]]>显然在依靠合适的激励电源后，新型多三相电机的合成磁势与传统多相电动机的基波合成磁势在形式上完全相同，均为幅值为 旋转角速度为ω的旋转磁势波。
可以证明，多三相绕线异步电机的转子空间谐波合成磁势与传统多相电机的转子空间谐波合成磁势有相同的变化规律。其证明步骤如下，仍然假定某一个独立三相的激励电源的基波电流具有公式(1)的数学表达式。
某一个转子独立三相绕组的v次谐波的脉振磁势幅值是Fv，交流电的角频率是ω，在气隙表面的某一点其坐标为x，则交流电流在该转子独立三相的内部各相产生的v次空间谐波的脉振磁势的表达式为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，Fφv=22πIwvpkwv]]>则多三相绕组的v次谐波总合成磁势为每一个独立三相的v次谐波合成磁势叠加，即把公式(7)、(8)、(9)相加，然后再将每一个独立三相的v次谐波合成磁势进行总的求和运算，具有下列的表达方式fv(x,t)=Σ0n-1[fvak(x,t)+fvbk(x,t)+fvck(x,t)]---(10)]]>可以从数学上证明公式(14)的谐波次数也可以同样表示为v＝2k(3×n)±1＝2km±1，假定n＝4；m＝3×n＝12，则除了基波之外，其最低次数的谐波为-23次反转谐波和+25次正转谐波，即谐波次数低于23次的谐波幅值也为零。
因此，新型绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的合成磁势与传统多相异步电机的基波合成磁势在形式上完全相同，在相同的相电流的有效值激励下，其磁势的均为幅值为 旋转角速度为ω的旋转磁势波。同时，其削弱高次空间谐波的能力也与传统多相电动机相同。因此，采用绕线转子多三相逆变器供电异步电动机比三相电动机具有更低的绕组谐波影响。绕线转子多三相逆变器供电异步电动机定子合成磁势的同步速度与电机转子多三相合成磁势的转速以及电机的机械转速具有以下关系ωstator＝ωslip+ωm(11)其中ωstator是定子合成磁场的同步角速度；ωslip是转子的转差角速度，在这里ωslip＝ω，也是逆变器电源的频率；ωm是转子的机械角速度因此，从公式(11)可以看出，当定子侧电源的频率和电机极对数保持不变时，即ωstator是定子合成磁场的同步角速度不变时，改变转子侧逆变器交流励磁电源的角速度ωslip即可调节电机的机械角速度ωm。从公式(11)还可以看出，当ω为负值时，电机的机械角速度ωm高于同步角速度ωstator；当ω为正值时，电机机械角转速ωm低于同步角转速ωstator。因此根据上面的分析，在电动机状态下，当电机的机械转速超过电机旋转磁场的同步转速时。在电网向电机的定子三相绕组供电的同时，电网通过逆变器的独立三相单元以交-直-交工作方式向转子的每一组独立三相绕组供电。该电机的转子控制方式可以采用比较小的转子频率调节值得到比较宽的转速调节范围，如f＝±5Hz时，则电动机的调速范围可达10％。同时，根据电机理论，改变交流励磁电流的幅值、相位和相序，还可以调节电机的转矩和功率角，即可调节定子侧的无功功率，从而改变功率因数的大小。
绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的逆变器电源特点由于绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的绕组的特殊结构，其逆变器电源也必须具有特定的结构并按照一定的规律运行。首先逆变器包括的独立三相激励电源的数目必须与转子独立三相绕组的个数相同，即独立三相电源的数目也必须等于n。其次当逆变器采用正弦激励时，其每一个独立三相的基波电流表达式应当符合式(1)，逆变器每一组独立电源的三相之间相位差是120电角度，相邻的独立电源之间的相位差是π/(3×n)或者与绕组的空间实际分布角度相同，其每一相电流的幅值应当相等。当采用逆变器供电时，每一组独立三相电源是一个三相桥式逆变器。逆变器电源的拓扑示意图可以参见说明书附图3。激励电流的标么值和其波形的相位差参见说明书附图4。采用与绕线转子多三相逆变器供电异步电动机同轴联接有旋转编码器或者该电机采用其他能够反映异步电机转子位置和速度的传感器来实时测量绕线转子多三相逆变器供电异步电动机转子的旋转角度和速度，其转子旋转角度是做为同步信号给多三相逆变器的控制系统，做为逆变器电源的电压、电流同步基准信号。该逆变器采用一种适合于绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的控制算法，使得绕线转子多三相逆变器供电异步电动机每一组独立三相绕组都可以作为一个单独的对象进行控制。该方法实质上是一种根据绕线转子多三相逆变器供电异步电动机定子磁场位置进行定向的矢量控制方法。其根据电机的每一组独立三相绕组在空间的实际位置，进行电压控制脉冲的角度分配。根据旋转角度和实际的速度、电流测量值、功率因数与对应的给定值进行运算，从而得出控制转子电压模值和转子励磁电流模值的大小。该方法采用一种解耦控制方法使得电机的电机绕组之间的互感所引起的耦合电压，由于电感乘积比例因子的引入，通过一系列的乘加运算，可以对转子独立三相绕组之间由于磁路耦合所产生的互感电压进行有效的解耦运算，使得绕线转子多三相逆变器供电异步电动机转子每一组独立三相绕组得到的等效d轴、q轴输出电压给定值仅与各自的转子宏电流相关，而转子宏电流在形式上是独立的和解耦的。这样使得转子多三相系统可以等效为若干个独立的三相系统进行分析。
在转子轴的一端装设多组独立的多三相滑环和电刷装置引出转子电压和电流与多三相逆变器相连接，采用多组轴向或径向式组合滑环和电刷结构，多三相滑环和电刷装置采用独立强迫风冷却结构。对于传统三相交流励磁电动机的每一相的转子电流达到几百安培甚至超过一千安培以上，其单个滑环和电刷组的电流密度和发热情况比较严重，因此，在电动机系统中，广泛采用的是多滑环电刷装置即滑环和电刷的组数要等于和多于电机转子绕组的相数，以减少每组滑环和电刷所通过的电流，以达到分散每组滑环和电刷通过的功率。而多三相系统由于电机的相数是三相的倍数，因此，滑环和电刷装置本身已经分散了功率，每组滑环和电刷所通过的电流比常规三相系统要小得多，当某组滑环和电刷出现故障时，对于系统的影响也比较小。但是，滑环和电刷数量的增加也不可避免的带来结构的复杂和该部分体积的增大。因此，根据异步电动机容量的大小可以采用不同类型的多三相滑环和电刷结构。对于中小容量绕线转子多三相逆变器供电异步电动机可以采用常规的轴向式多三相滑环和电刷结构，即每一组独立三相滑环和电刷采用轴向方式向上排列，其结构图参见图。当绕线转子多三相逆变器供电异步电动机容量很大也可以采用径向盘式滑环和电刷系统。采用多三相滑环和电刷由于滑环和电刷的组数比较多，其摩擦产生的石墨和金属粉末比较多，需要采用独立的强迫风冷却结构和除尘装置，其转子滑环结构参见图4。
多三相滑环和电刷装置中，装设有多三相电刷举刷短接装置，当逆变器系统发生故障时，该装置可将转子多三相绕组短接。成为定子单边励磁的异步电机工作模式，在电动机状态时，该电机成为电网直接励磁的异步电动机。
绕线转子多三相逆变器供电异步电动机由于其转子绕组采用多三相绕组，该电机的相数比较多，同时，电机的速度不高，极对数比较多，根据情况可以采用整数槽或分数槽绕组，分数槽由于具有消除电机磁势中齿谐波的功能，在多三相的电动机中应用更加普遍，可以采用分数槽的叠绕组或波绕组。但是，采用多三相分相结构的分数槽双层波绕组有其特殊的绕组排列结构，由于电机的相数很多，每相的绕组一般划分为正负相带，同时，多三相内部必须保持120°的对称绕组，同时，每相邻的独立三相绕组之间的位置的差别角度为360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。因此，对于多三相电机的每极每相槽数q往往有q≤1。因此，在这种情况下保证分数槽绕组的对称性是非常重要的，这里采用了一种特殊的多三相绕组的分数槽结构，可以保证电机的绕组在每极每相槽数q比较小的情况下，电机的绕组可以对称分布。由于采用了一种新的分数槽或整数槽分相方法，即在不同的极对数下，通过交替首尾对偶改变轮换数的绕组结构，从而获得对称分数槽或整数槽的一种新排列结构。该结构对于q≤1和分数槽绕组的轮换数d小于电机的相数m情况，可以更加容易获得多三相对称的绕组结构。
绕线转子多三相逆变器供电异步电动机多三相滑环和多三相电刷装置安装在电机的上部主轴承端的外端，由于采用多组独立的三相滑环和三相电刷装置，该电机在轴向的长度比较长。因此，其滑环和电刷组必须安装在电机的上部主轴承端的外端，以保证滑环和电刷组的安装空间。
绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的电机非传动端同轴联接有旋转编码器或者该电机采用其他能够反映电机绕线转子位置和速度的传感器来实时测量绕线转子的旋转角度和速度。
图1转子多三相绕线电动机；图2转子多三相绕线异步电动机绕组连接示意图；图3转子多三相绕线异步电动机转子逆变器励磁示意图；图4转子多三相异步电动机转子交流励磁电流波形图；图5转子多三相异步电动机转子轴与滑环位置图；图6转子多三相异步电动机第一、二组独立三相转子波绕组连接图转子波绕组连接图；图7转子多三相异步电动机第三、四组独立三相转子波绕组连接图。
具体实施例方式说明书附图6-7是转子多三相电动机的一个实施例。该电机的功率为2000kW、定子电压6KV、电机的额定转速为495rpm。该电动机的定子绕组为三相，直接连接在工频电网上，而其转子绕组具有多组在电路上独立的三相对称绕组。其电机转子波绕组结构见图5。在转子多三相系统中，采用了4×3相转子绕组的绕组连接图，绕组采用整数槽。从绕组连接图上可以看出，4×3相系统中包括了4组三相对称绕组，本实施例中，绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的定子槽数Z＝144，磁极数2p＝12，每极每相槽数q＝1，极距τ＝12，由于多相电机功率一般较大采用双层绕组比较普遍。绕组节距可以采用整距绕组y1＝τ，也可以采用短距绕组y1=56τ=10]]>(槽)，合成节距为y＝24(槽)。相邻槽间的电角度为α＝15°，相邻独立三相绕组之间的空间电角度是180°/(4×3)＝15°。绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的转子相绕组的首端分别标记为A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4；末端标记为X1、X2、X3、X4，Y1、Y2、Y3、Y4，Z1、Z2、Z3、Z4。与标准三相电动机类似，绕线转子多三相逆变器供电异步电动机的绕组可以串联连接，也可以并联连接，串并联的规则与标准三相电动机相同。绕线转子多三相逆变器供电异步电动机可以连接成为4个星形接法，当连接为星形接法时，有4个独立中点，可以采用内部连接方式，以减少外部接线。显然，绕线转子多三相逆变器供电异步电动机由于采用分散中点或无中点方式，在绕组可靠性方面要优于传统的三相交流励磁电动机。
根据图5～图7，可以分析出转子整数槽或分数槽绕组采用波绕组的空间电角度的几何关系，首先假定有边框为虚线的槽号是处于极性为N的磁极下，无虚线的槽号是处于极性为S的磁极下。从图中可以看出，波绕组的连接方法是首先将同极性的所有线圈都串联起来。因此，同极性对应绕组相差36槽，即360°电角度；同一相的波绕组是将S极性下的线圈组与N磁极下的线圈根据电流的实际方向可以采用“头接尾、尾接头”或者“头接尾、尾接头”的方式顺序或逆序串联。每一个独立三相内部的A；B；C相差8个槽120°电角度；独立三相绕组之间其对应相相差的槽数，其中有两个对应相绕组的相差是1槽，其电角度是15°；该电机的线圈排列是对称的每相绕组共有12个线圈，其中有个6线圈处于正相带，另外6个处于负相带；转子线圈采用星形连接方式。考虑到转子绕组的机械平衡问题，所有的转子出线尽可能采用机械对称的出线方式，如果不对称，可以采用适当的方法进行修正。其出线的槽号见表1表1转子的对称出线端
图5～图7中的连接图可以认为是循环排列的，其中的头部是表1中所列写的出线端的槽号。可以采用分数槽，也可以采用整数槽。
权利要求
1.一种绕线转子异步电动机，其特征在于a、转子绕组具有多组在电路上独立的三相对称绕组，这些对称三相绕组的组与组之间仅有磁路的互相耦合关系，没有电路上的直接联系，对于每一组采用星形连接的三相绕组，都具有各自的独立中性点，并且这些中性点在电路上互相隔离；对于每一组采用三角形连接的三相绕组而言，这些三相绕组在电路也是上互相隔离的，多三相绕线转子异步电动机转子绕组总的相数具有3的倍数特征，即该电动机绕线转子的总相数为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为大于2的正整数)；b、对于绕线转子上n个独立三相绕组，其相邻两个三相绕组在空间的位移电角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。
2.根据权利要求1所述的逆变器供电的多三相绕线转子异步电动机，其特征在于该电机的转子是由多三相逆变器供电的，所谓多三相逆变器是指逆变器的总相数也具有3的倍数特征，并且多三相绕线转子异步电动机转子总相数与多三相逆变器的总相数相等。
3.根据权利要求1，2所述的逆变器供电的多三相绕线转子异步电动机，其特征在于所述的转子多三相绕组的结构为分数槽或整数槽双层波绕组。
4.根据权利要求1所述的逆变器供电的多三相绕线转子异步电动机，其特征在于电机同轴联接有旋转编码器或者该电机采用其他能够反映电机绕线转子位置和速度的传感器来实时测量绕线转子的旋转角度和速度。
全文摘要
本发明涉及一种采用逆变器给转子绕组供电的转子多三相电动机，该电动机的定子绕组为三相，连接在电网上，而其转子绕组具有多组在电路上独立的三相对称绕组，这些对称三相绕组的组与组之间仅有磁路的互相耦合关系，没有电路上的直接联系，对于每一组采用星形连接的三相绕组，都具有各自的独立中性点，对于每一组采用角形连接的三相绕组，绕组也是独立的。转子多三相绕线异步电机转子绕组总的相数具有3的倍数特征，即该电动机绕线转子的总相数为2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相。其相邻两个三相绕组在空间的位移电角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。
文档编号H02K17/12GK1705204SQ20041001030
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年5月31日
发明者王晓雷 申请人:中原工学院